WO2020188812A1 - 無方向性電磁鋼板 - Google Patents

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WO2020188812A1
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高橋　克
毅 市江
鉄州 村川
伸一 松井
史展 村上
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日本製鉄株式会社
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Definitions

  • the present invention mainly relates to non-oriented electrical steel sheets having excellent fatigue strength and magnetic properties, which are used as iron core materials for electrical equipment.
  • a motor consists of a stator (stator) and a rotor (rotor).
  • stator stator
  • rotor rotor
  • IPM motor motor with a built-in permanent magnet
  • Patent Document 1 discloses a technique for increasing the strength of the electromagnetic steel sheet itself used for the rotor core.
  • Patent Document 2 discloses a technique for strengthening work and quenching in order to strengthen only that part of the rotor core because the part of the rotor core that needs to be strengthened is the bridge part as described above.
  • Patent Document 3 discloses a technique for reinforcing a rotor from the outside with a ring or the like in order to increase the strength of the entire rotor core.
  • Patent Document 1 has a drawback that the punching property of the blank of the rotor core is lowered because the strength of the magnetic steel sheet itself is increased.
  • the decrease in punching property causes a decrease in blank accuracy at the time of punching, a decrease in punching speed, or a decrease in die wear at the time of punching.
  • Patent Document 2 since an additional step of strengthening only the bridge portion is required when manufacturing the rotor core, the cost increases. Further, in the technique of Patent Document 3, a ring or the like for reinforcing the rotor from the outside is required, which increases the cost.
  • Examples of the surface hardening method include transformation strengthening of the steel itself represented by quenching, precipitation strengthening to generate a second phase by nitriding, carburizing, etc., and work hardening in which strain is introduced by shot peening or the like. Both require additional steps.
  • an object of the present invention to achieve both fatigue strength and magnetic properties of non-oriented electrical steel sheets without adding an additional step to the conventional manufacturing method. That is, an object of the present invention is to provide a non-oriented electrical steel sheet which is excellent in fatigue strength and magnetic properties and also excellent in cost.
  • the present inventors have diligently studied to form a surface-hardened layer on a silicon steel sheet which is a base steel sheet of a non-oriented electrical steel sheet by utilizing a manufacturing process of a non-oriented electrical steel sheet. did.
  • an internal oxide layer can be formed on the surface of the silicon steel plate, and the hardness of the internal oxide layer can be controlled to harden the surface, thereby increasing the fatigue strength. I found that I could do it.
  • the steel sheet having the adjusted steel composition is subjected to a heat-retaining heat treatment at the time of cooling after hot rolling and the heat-retaining conditions are appropriately controlled, the average thickness of the oxide and the internal oxide layer in the internal oxide layer is controlled. It was found that the heat treatment can be controlled and the hardness of this internal oxide layer can be controlled. That is, it was found that a non-oriented electrical steel sheet having both fatigue strength and magnetic characteristics can be obtained without adding a new process.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • the non-oriented electrical steel sheet according to one aspect of the present invention includes a silicon steel sheet and an insulating film, and the silicon steel sheet has a component composition of Si: more than 2.00% and 4.00%.
  • Si more than 2.00% and 4.00%.
  • Al 0.10% or more and 3.00% or less
  • Mn 0.10% or more and 2.00% or less
  • C 0.0030% or less
  • P 0.050% or less
  • S 0.005%
  • N 0.005% or less
  • Sn 0% or more and 0.40% or less
  • Cu 0% or more and 1.00% or less
  • Sb 0% or more and 0.40% or less
  • REM 0% or more and 0.
  • the silicon steel sheet has a SiO 2 phase on the surface when viewed from the cut surface. It has an internal oxide layer containing, and the average thickness of the internal oxide layer is 0.10 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less, and the Vickers hardness of the internal oxide layer is 1. It is 15 times or more and 1.5 times or less.
  • the silicon steel sheet has a component composition of Sn: 0.02% or more and 0.40% or less, Cu: 0.10% or more 1 in mass%. It may contain at least one of .00% or less and Sb: 0.02% or more and 0.40% or less.
  • the silicon steel sheet has a component composition of REM: 0.0005% or more and 0.0400% or less, Ca: 0. At least one of 0005% or more and 0.0400% or less and Mg: 0.0005% or more and 0.0400% or less may be contained.
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer may be 155 Hv or more.
  • the average thickness of the internal oxide layer may be 0.55 ⁇ m or more.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing how an internal oxide layer is formed on a base steel sheet of a non-directional electromagnetic steel sheet according to this embodiment.
  • the non-oriented electrical steel sheet (hereinafter sometimes referred to as "the electromagnetic steel sheet of the present invention") according to the present embodiment, the reason for limiting the component composition of the silicon steel sheet which is the base steel sheet will be described.
  • the silicon steel sheet contains a basic element as a component composition, and if necessary, a selective element, and the balance is composed of Fe and impurities.
  • Si, Al, and Mn are the basic elements (main alloying elements) in the composition of the silicon steel sheet.
  • Si More than 2.00% and less than 4.00% Si (silicon) is an element that increases electrical resistance, reduces eddy current loss, and contributes to reduction of iron loss. It is an element that increases the yield ratio and contributes to the improvement of tensile strength and fatigue strength. Further, Si is also an element necessary for forming a SiO 2 phase in the internal oxide layer and curing the surface of the steel sheet, as will be described later.
  • Si is set to more than 2.00%. It is preferably 2.10% or more, more preferably 2.30% or more, and more preferably 2.60% or more.
  • Si is set to 4.00% or less. It is preferably 3.70% or less, more preferably 3.40% or less.
  • Al 0.10% or more and 3.00% or less
  • Al is also an element that increases electrical resistance to reduce eddy current loss and contributes to reduction of iron loss, like Si. However, it is also an element whose hardness increases less than that of Si. Further, Al is an element that increases the ratio of the magnetic flux density B 50 to the saturated magnetic flux density Bs: B 50 / Bs and contributes to the improvement of the magnetic flux density.
  • Al should be 0.10% or more. It is preferably 0.30% or more, more preferably more than 0.50%, still more preferably 0.60% or more.
  • Al exceeds 3.00%, the saturation magnetic flux density is lowered, the magnetic flux density is lowered, the yield ratio is lowered, and the tensile strength and the fatigue strength are lowered, so that Al is 3.00%. It is as follows. It is preferably 2.70% or less, more preferably 2.40% or less.
  • Mn 0.10% or more and 2.00% or less Mn (manganese) increases electrical resistance to reduce eddy current loss and produces ⁇ 111 ⁇ ⁇ 112> texture, which is undesirable for magnetic properties. It is an element that acts as an inhibitor.
  • Mn is set to 0.10% or more. It is preferably 0.15% or more, more preferably 0.20% or more, still more preferably more than 0.60%, still more preferably 0.70% or more. On the other hand, if Mn exceeds 2.00%, the growth potential of crystal grains during annealing decreases and iron loss increases, so Mn is set to 2.00% or less. It is preferably 1.70% or less, more preferably 1.50% or less.
  • the silicon steel sheet contains impurities as a component composition.
  • impurities refer to those mixed from ore or scrap as a raw material, from the manufacturing environment, etc. when steel is industrially manufactured. For example, it means an element such as C, P, S, N. These impurities are preferably limited as follows in order to fully exert the effects of the present embodiment. Further, since the content of impurities is preferably small, it is not necessary to limit the lower limit value, and the lower limit value of impurities may be 0%.
  • C is an impurity element that increases iron loss and causes magnetic aging. If C exceeds 0.003%, iron loss increases and magnetic aging occurs remarkably. Therefore, C is set to 0.0030% or less. It is preferably 0.0020% or less, more preferably 0.0010% or less. Although the lower limit includes 0%, it is difficult to set it to 0% in terms of production technology, and 0.0001% is a practical lower limit in practice.
  • P 0.050% or less
  • P (phosphorus) is an impurity element that embrittles the steel sheet, although it may contribute to the improvement of tensile strength. If P exceeds 0.050%, the steel sheet containing 2.00% or more of Si becomes extremely brittle, so P is set to 0.050% or less. It is preferably 0.030% or less, more preferably 0.020% or less. Although the lower limit includes 0%, it is difficult to set it to 0% in terms of production technology, and 0.002% is a practical lower limit in practice.
  • S is an impurity element that forms fine sulfides such as MnS and inhibits recrystallization and grain growth during finish annealing. If S exceeds 0.005%, recrystallization and grain growth during finish annealing are significantly inhibited, so S is set to 0.005% or less. It is preferably 0.003% or less, more preferably 0.002% or less. Although the lower limit includes 0%, it is difficult to set it to 0% in terms of production technology, and 0.0003% is a practical lower limit in practice.
  • N is an impurity element that forms fine nitrides such as AlN and inhibits recrystallization and grain growth during finish annealing. If N exceeds 0.005%, recrystallization and grain growth during finish annealing are significantly inhibited, so N is set to 0.005% or less. It is preferably 0.003% or less, more preferably 0.002% or less. Although the lower limit includes 0%, it is difficult to set it to 0% in terms of production technology, and 0.0005% is a practical lower limit in practice.
  • the silicon steel plate may contain a selective element in addition to the basic elements and impurities described above.
  • Sn, Cu, Sb, REM, Ca, and Mg may be contained as selective elements in place of a part of Fe, which is the balance described above.
  • These selective elements may be contained according to the purpose. Therefore, it is not necessary to limit the lower limit of these selective elements, and the lower limit may be 0%. Further, even if these selective elements are contained as impurities, the above effects are not impaired.
  • Sn 0% or more and 0.40% or less
  • Cu 0% or more and 1.00% or less
  • Sb 0% or more and 0.40% or less
  • Sn (tin), Cu (copper), Sb (antimony) are desirable for magnetic properties. None ⁇ 111 ⁇ ⁇ 112> It is an element that suppresses the formation of texture, controls the oxidation of the surface of the steel plate, and regulates the grain growth. Further, Sn, Cu, and Sb are also elements that have an action of appropriately controlling the thickness of the internal oxide layer in the hot-rolled steel sheet.
  • Sn exceeds 0.40%
  • Cu exceeds 1.00%
  • Sb exceeds 0.40%
  • the addition effect is saturated, crystal grain growth during finish annealing is suppressed, and the steel sheet is made of steel sheet. Since the workability is lowered and the material becomes brittle during cold rolling, Sn is 0.40% or less, Cu is 1.00% or less, and Sb is 0.40% or less.
  • Sn is 0.30% or less
  • Cu is 0.60% or less
  • Sb is 0.30% or less
  • more preferably Sn is 0.20% or less
  • Cu is 0.40% or less
  • Sb is 0. .20% or less.
  • the lower limit of Sn, Cu, and Sb is not particularly limited and may be 0%.
  • Sn may be 0.02% or more
  • Cu may be 0.10% or more
  • Sb may be 0.02% or more.
  • Sn is 0.03% or more
  • Cu is 0.20% or more
  • Sb is 0.03% or more
  • Cu is 0.30% or more
  • Sb is 0. It is 0.05% or more.
  • the silicon steel plate has a component composition of Sn: 0.02% or more and 0.40% or less, Cu: 0.10% or more and 1.00% or less, and Sb: 0.02% or more in mass%. It is preferable to contain at least one of 0.40% or less.
  • REM 0% or more and 0.0400% or less Ca: 0% or more and 0.0400% or less Mg: 0% or more and 0.0400% or less REM (Rare Earth Metal), Ca (calcium), Mg (magnesium) is S It is an element that is fixed as a sulfide or acid sulfide, suppresses fine precipitation of MnS and the like, and promotes recrystallization and crystal grain growth during finish annealing.
  • REM, Ca, and Mg exceed 0.0400%, sulfide or acid sulfide is excessively generated, and recrystallization and grain growth during finish annealing are inhibited. Therefore, all of REM, Ca, and Mg are used. , 0.0400% or less. Preferably, each element is 0.0300% or less, more preferably 0.0200% or less.
  • the lower limit of REM, Ca, and Mg is not particularly limited and may be 0%. In order to obtain the above effect preferably, all of REM, Ca and Mg may be 0.0005% or more. Preferably, each element is 0.0010% or more, more preferably 0.0050% or more.
  • the silicon steel plate has a component composition of REM: 0.0005% or more and 0.0400% or less, Ca: 0.0005% or more and 0.0400% or less, Mg: 0.0005% or more in mass%. It is preferable to contain at least one of 0.0400% or less.
  • REM refers to a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and is at least one of them.
  • the content of REM means the total content of at least one of these elements.
  • lanthanoids they are industrially added in the form of misch metal.
  • the above steel composition may be measured by a general analysis method for steel.
  • the steel component may be measured using ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry).
  • C and S may be measured using the combustion-infrared absorption method
  • N may be measured using the inert gas melting-thermal conductivity method
  • O may be measured using the inert gas melting-non-dispersion infrared absorption method.
  • the above-mentioned component composition is the component composition of the silicon steel sheet, and when the silicon steel sheet as the measurement sample has an insulating film or the like on the surface, the component composition obtained by removing the insulating film or the like is used. is there.
  • the non-directional electromagnetic steel plate having the insulating coating or the like is immersed in the order of sodium hydroxide aqueous solution, sulfuric acid aqueous solution, and nitric acid aqueous solution, washed, and warm air is used. There is a way to dry with. By this series of treatments, a silicon steel plate from which the insulating film has been removed can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a non-oriented electrical steel sheet according to the present embodiment.
  • the non-oriented electrical steel sheet 1 according to the present embodiment includes a silicon steel sheet 11 and an insulating coating 15 arranged on the silicon steel sheet 11 when viewed from a cut surface whose cutting direction is parallel to the plate thickness direction.
  • the silicon steel plate has an internal oxide layer 13 on its surface.
  • the internal oxide layer 13 contains a SiO 2- phase 131.
  • the internal oxide layer is a region in which an oxide phase such as Si is dispersed in a particle or layer inside a silicon steel plate.
  • the internal oxide layer contains a SiO 2 phase.
  • the effect of improving fatigue strength can be obtained by finely and densely depositing the SiO 2 phase in the internal oxide layer and controlling the hardness of the internal oxide layer.
  • the steel sheet In order to finely and densely deposit the SiO 2 phase in the internal oxide layer, it is necessary for the steel sheet to contain more than 2.00% of Si. On top of that, it is necessary to appropriately control the heat treatment during cooling after hot rolling.
  • ⁇ Average thickness of internal oxide layer > Average thickness of internal oxide layer: 0.10 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less If the average thickness of the internal oxide layer is less than 0.10 ⁇ m, the effect of improving fatigue strength cannot be obtained, so the average thickness of the internal oxide layer Is 0.10 ⁇ m or more. It is preferably more than 0.5 ⁇ m, more preferably 0.55 ⁇ m or more, still more preferably 0.6 ⁇ m or more, still more preferably 0.7 ⁇ m or more, still more preferably 1.0 ⁇ m or more. On the other hand, if the average thickness of the internal oxide layer exceeds 5.0 ⁇ m, the magnetic properties deteriorate, and in particular, the iron loss increases. Therefore, the average thickness of the internal oxide layer is set to 5.0 ⁇ m or less. It is preferably 4.0 ⁇ m or less, more preferably 3.0 ⁇ m or less.
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer is controlled to a value higher than the Vickers hardness of the central portion of the steel sheet. That is, in the present embodiment, the fatigue strength is improved by increasing only the strength of the target portion without increasing the strength of the electromagnetic steel sheet itself.
  • the plate thickness range of 5/8 to 3/8 of the silicon steel sheet is defined as the central portion. If the Vickers hardness of the central portion is less than 120 Hv, sufficient fatigue strength cannot be obtained. Therefore, the Vickers hardness of the central portion is set to 120 Hv or more. It is preferably 150 Hv or more, more preferably 170 Hv or more.
  • the Vickers hardness of the central portion exceeds 300 Hv, the entire steel sheet is too hard and the punching workability is lowered. Therefore, the Vickers hardness of the central portion is set to 300 Hv or less. It is preferably 270 Hv or less, more preferably 250 Hv or less.
  • the Vickers hardness in the central part can be controlled by strengthening the solid solution of Si, Al, and Mn into Fe and the crystal grain size after finish annealing.
  • the contents of Si, Al, and Mn may be determined, and the crystal grain size after finish annealing may be determined in consideration of the required magnetic properties, processability during cold spreading, manufacturing cost, and the like.
  • the crystal grain size also affects the magnetic properties, especially the iron loss.
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer is the Vickers hardness of the central portion. Make it 1.15 times or more the Vickers hardness. It is preferably 1.20 times or more, more preferably 1.25 times or more.
  • the upper limit of Vickers hardness of the internal oxide layer is not particularly specified from the viewpoint of improving fatigue strength.
  • the Vickers hardness of the internally obtained oxide layer is about 1.5 times the Vickers hardness of the central portion at the maximum.
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer may be 1.15 times or more the Vickers hardness of the central portion, and may be 138 Hv or more. However, the Vickers hardness of the internal oxide layer is preferably 155 Hv or more, more preferably 180 Hv or more, and further preferably 200 Hv or more. The Vickers hardness of the internal oxide layer may be 400 Hv or less, more preferably 300 Hv or less.
  • the above-mentioned structure observation and hardness measurement of the internal oxide layer and the central portion of the silicon steel plate may be performed by a general observation / measurement method.
  • it may be performed by the following method.
  • a test piece is cut out from the non-directional electromagnetic steel plate so that the cutting direction is parallel to the plate thickness direction (specifically, the test piece is cut out so that the cut surface is parallel to the plate thickness direction and perpendicular to the rolling direction).
  • the cross-sectional structure of this cut surface is observed by SEM (Scanning Electron Parallel) at a magnification at which each layer is included in the observation field of view.
  • SEM Sccanning Electron Parallel
  • the constituent phases of the cross-sectional structure can be inferred.
  • the silicon steel plate can be identified as a light color
  • the SiO 2 phase in the internal oxide layer as a dark color
  • the insulating film as an intermediate color.
  • the constituent phases can be specified in detail by performing a quantitative analysis of the component composition using SEM-EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy).
  • whether or not the internal oxide layer is present in the surface region of the silicon steel plate may be specified by SEM and SEM-EDX. Specifically, it is confirmed whether or not there is a region where the SiO 2 phase is observed from the interface between the silicon steel plate and the upper layer toward the depth direction of the silicon steel plate.
  • a precipitate having an atomic ratio of Si to O of approximately 1: 2 may be specified by EDX in the observation field.
  • EDX a precipitate having an atomic ratio of Si to O of approximately 1: 2 may be specified by EDX in the observation field. For example, in the above observation field, sets the straight line along the thickness direction as a reference line, this on the reference line to check whether an area in which SiO 2 phase is observed is present, SiO 2 phases was observed If a region exists in the silicon steel plate, it is determined that this region is an internal oxide layer. Further, the line segment (length) on the reference line of this region may be the thickness of the internal oxide layer.
  • the average thickness of the internal oxide layer may be determined as follows. In the SEM image, observe a region of about 100 ⁇ m or more in the plane direction of the steel sheet. Then, 10 or more of the above reference lines are set at equal intervals, and the thickness of the internal oxide layer is obtained on each reference line. The average value of the obtained internal oxide layer thickness is defined as the average thickness of the internal oxide layer.
  • TEM Transmission Electron Microscope
  • Vickers hardness can be measured by the method described in JIS Z 2244: 2009. For the Vickers hardness of the internal oxide layer, the indentation of the Vickers hardness must remain in the internal oxide layer, and the measured load in that case is 9.8 ⁇ 10-5 to 9.8 ⁇ 10 -2. Between N is preferable.
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer may be measured according to the thickness of the internal oxide layer, and if a load for obtaining the maximum indentation within the thickness range of the internal oxide layer is appropriately set, It can be measured more accurately.
  • the load may be a load exceeding the above load range.
  • the indentation diameter is usually measured using an optical microscope, but in order to measure with high accuracy, the indentation diameter may be measured at a magnification of 1000 times or more using an electron microscope such as SEM. ..
  • the Vickers hardness of the central portion of the steel sheet is preferably the same as the measured load of the Vickers hardness of the internal oxide layer.
  • the indentation diameter is smaller than the crystal grain size of the steel sheet, it is desirable to provide the indentation while avoiding the crystal grain boundaries and measure the indentation diameter.
  • the measured load is set from 1 gf (9.8 x 10 -2 N), but the load is precisely controlled to reduce the load, and the indentation is internally oxidized. It is desirable to set the load so that it stays inside the layer and measure the Vickers hardness.
  • the measured value can be converted to Vickers hardness using the nanoindening method. Good.
  • FIG. 2 is a flow chart illustrating a method for manufacturing a non-oriented electrical steel sheet according to the present embodiment.
  • molten steel having an adjusted composition is cast, hot-rolled, heat-treated at the time of cooling after hot-rolling, pickled, cold-rolled, and then finish-annealed to make a silicon steel sheet.
  • a non-oriented electrical steel sheet is manufactured by providing an insulating film on the upper layer of the silicon steel sheet.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing how an internal oxide layer is formed on the base steel plate.
  • FIG. 3 (A) shows the state after hot rolling
  • FIG. 3 (B) shows the state after heat treatment
  • FIG. 3 (C) shows the state after pickling
  • FIG. 3 (D) shows the cold state. The state after inter-rolling is shown.
  • the external oxide layer 17 is formed on the surface of the base steel sheet 11 by hot rolling. Subsequently, as shown in FIG. 3B, oxygen is diffused from the external oxide layer 17 into the base steel sheet 11 by the heat treatment during cooling after hot rolling to form the internal oxide layer 13. .. At this time, it is preferable to finely and densely deposit the SiO 2- phase 131 in the internal oxide layer 13 by controlling the conditions of the heat treatment.
  • the external oxide layer 17 on the surface of the base steel sheet 11 is removed by pickling.
  • a part of the internal oxide layer 13 may be removed by pickling to control the thickness of the internal oxide layer 13.
  • the internal oxide layer 13 on the surface of the base steel plate 11 is extended in the rolling direction L by cold rolling. After cold rolling, the internal oxide layer 13 may remain as it is, or if the thickness of the internal oxide layer 13 is excessive, a part of the internal oxide layer 13 is removed by pickling or the like to remove the inside. The thickness of the oxide layer 13 may be controlled.
  • finish annealing is performed in an atmosphere containing nitrogen and hydrogen to promote recrystallization and grain growth of the base steel sheet to obtain a silicon steel sheet in which an internal oxide layer containing a SiO 2 phase is present on the surface. be able to.
  • An insulating film may be applied to the surface of the silicon steel plate.
  • the insulating coating is generally a coating called a semi-organic coating.
  • a film composed of chromic acid and an organic resin disclosed in Non-Patent Document 1 or a film composed of a phosphate and an organic resin disclosed in Non-Patent Document 2 is generally used.
  • the amount of the insulating coating adhered is preferably 0.1 to 5 gm- 2 per side.
  • the silicon steel sheet has an inner oxide layer, SiO 2 phase is included in the inner oxide layer is 0.10 ⁇ m or more 5.0 ⁇ m or less the average thickness of the inner oxide layer
  • the Vickers hardness of the central portion of the steel plate is 120 Hv or more and 300 Hv or less
  • the Vickers hardness of the internal oxide layer is 1.15 times or more and 1.5 times or less of the Vickers hardness of the central portion. It is a feature.
  • the silicon steel plate having the above characteristics may be manufactured by, for example, the following method.
  • ⁇ Hot rolling> The slab with the adjusted composition is heated and hot-rolled. At this time, the heating temperature is set to 1200 ° C. or lower so that the iron loss does not worsen due to the solid solution and precipitation of sulfide and the like in the steel. Further, in order to secure a finishing temperature of 900 ° C. or higher, the heating temperature is 1080 ° C. or higher.
  • the lower limit of the finishing temperature is set to 900 ° C.
  • the upper limit of the finishing temperature is set to 1000 ° C.
  • an external oxide layer having a thickness of 1 ⁇ m or more on the surface of the hot-rolled steel sheet so that the internal oxide layer is appropriately formed during the heat treatment after hot rolling.
  • the formation of the external oxide layer may be controlled by the temperature and holding time during hot rolling.
  • the hot-rolled steel sheet retains heat during cooling after hot rolling.
  • the crystal grain size is coarsened to 20 ⁇ m or more, and oxygen contained in the external oxide layer generated on the surface of the hot-rolled steel sheet is diffused into the hot-rolled steel sheet to form an internal oxide layer.
  • the internal oxide layer mainly contains an external oxide layer formed during hot rolling, specifically, an external oxide layer containing wustite and hematite as an oxygen source, and oxygen diffuses inside the steel sheet during heat treatment. Is formed by.
  • the hot-rolled steel sheet is placed in an atmosphere where the oxygen partial pressure is 10-15 Pa or more, in a temperature range of 850 ° C or less and 700 ° C or more, and in a time of 10 minutes or more and 3 hours or less.
  • the oxygen partial pressure is 10-15 Pa or more, in a temperature range of 850 ° C or less and 700 ° C or more, and in a time of 10 minutes or more and 3 hours or less.
  • the heat retention temperature exceeds 850 ° C.
  • the average thickness of the internal oxide layer becomes thick. Therefore, since the average thickness of the internal oxide layer exceeds 5.0 ⁇ m even after cold rolling, a load may be applied to pickling to reduce the thickness of the internal oxide layer.
  • the heat retention temperature is preferably 850 ° C. or lower.
  • the heat retention temperature is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 750 ° C. or higher, and more preferably 800 ° C. or higher in order to finely and densely precipitate the SiO 2 phase, although it depends on the Si concentration in the steel.
  • the heat retention time is preferably 10 minutes or more in order to grow the crystal grains of the hot-rolled steel sheet to 20 ⁇ m or more. Further, the heat retention time is preferably 10 minutes or more, more preferably 20 minutes or more, and further preferably 30 minutes or more in order to finely and densely precipitate the SiO 2 phase.
  • the upper limit of the heat retention time is not particularly limited, but if the heat retention time is excessive, the crystal grain boundaries become brittle near the surface of the steel sheet, and subsequent pickling and cold rolling cause cracks and breakage.
  • the heat retention time is preferably 3 hours or less because it becomes easy.
  • the atmosphere of the heat treatment is preferably an oxygen partial pressure of 10 to 15 Pa or more.
  • the atmosphere is preferably a mixed atmosphere of an inert gas such as nitrogen.
  • an external oxide layer of 1 ⁇ m or more is formed during hot rolling, and heat retention is performed after adjusting so as to block contact between the steel sheet surface and the atmosphere during heat retention. For example, if heat is retained after winding a hot-rolled steel sheet, the surface of the steel sheet is in contact with each other except for the outermost surface of the coil. Therefore, the contact between the surface of the steel sheet and the atmosphere during heat retention is preferably cut off. Can be done.
  • the steel sheet contains Sn, Cu, and Sb
  • these elements suppress the formation and growth of the internal oxide layer, so that the heat retention temperature can be increased within the above range.
  • the crystal grain size can be preferably coarsened while suppressing the excessive growth of the internal oxide layer.
  • the heat retention temperature is set to 800 ° C. or higher, an internal oxide layer having an appropriate thickness can be formed, and at the same time, the magnetic flux density can be preferably improved.
  • the amount of pickling may be controlled during the pickling treatment to adjust the internal oxide layer to an appropriate thickness.
  • the mechanism by which the formation and growth of the internal oxide layer is suppressed when the steel sheet contains Sn, Cu, and Sb is that these elements segregate between the external oxide layer and the steel and are contained in the external oxide layer. It is considered that this is because the oxygen is prevented from diffusing into the steel sheet.
  • the hot-rolled steel sheet was cooled to near room temperature after hot rolling, then heated again and annealed by hot-rolling sheet holding in a temperature range of 800 to 1000 ° C. for about 1 minute.
  • the hot-rolled steel sheet in order to preferably control the internal oxide layer, is heat-retained under the above conditions during cooling after hot rolling. Then, after the heat-retained steel sheet is cooled to near room temperature, it is subjected to pickling and cold rolling without hot-rolling sheet annealing.
  • the base steel sheet after the heat treatment is pickled.
  • the amount of pickling (weight loss after pickling) varies depending on the state of the external oxide layer and the internal oxide layer on the surface of the steel sheet, the acid type used for pickling, the concentration, and the temperature. In pickling, the external oxide layer may be dissolved and the internal oxide layer may be reduced to the desired thickness.
  • the amount of pickling it is effective to shorten the pickling time, lower the temperature of the pickling solution, or add a commercially available pickling inhibitor (polyamine or the like).
  • the pickling inhibitor contains, for example, a polyamine as a main component, and this polymer has a property of being easily adsorbed on an unshared electron pair of an iron atom.
  • the adhesion of the polymer to the surface of the steel sheet reduces the area in contact with the acid and suppresses the pickling rate.
  • Formic acid and the like are known as additives that enhance this effect.
  • the pickling accelerator has a property of easily forming a coordination bond with a chelating agent for iron atoms, that is, iron ions.
  • a chelating agent for iron atoms that is, iron ions.
  • the base steel sheet after pickling is cold-rolled.
  • the cold reduction rate is preferably 50 to 90% from the viewpoint of increasing the magnetic flux density.
  • the cold rolling ratio is a cumulative cold rolling ratio, and is obtained by (plate thickness before cold rolling-plate thickness after cold rolling) / plate thickness before cold rolling ⁇ 100. It is desirable to calculate back from the plate thickness of the final product and determine it in consideration of the cold rolling ratio, cold rollability, etc.
  • Finish annealing is a step of recrystallizing a cold-rolled steel sheet and adjusting the crystal grain size to obtain magnetic characteristics, particularly good magnetic flux density and iron loss characteristics. Atmosphere is important for finish annealing. Since the magnetic properties deteriorate when the steel sheet is oxidized, the oxygen concentration in the finish annealing atmosphere is preferably several tens of ppm or less.
  • the atmosphere gas is preferably a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere, and if necessary, hydrogen may be added in order to prevent oxidation of the steel sheet. If the hydrogen concentration is excessively increased, the internal oxide layer is reduced, and the fine SiO 2 phase that contributes to the increase in fatigue strength is reduced.
  • the finish annealing temperature is preferably 700 ° C. or higher at which recrystallization of the steel sheet occurs. If the finish annealing temperature is too low, recrystallization will be inadequate. On the other hand, if the finish annealing temperature is too high, the fine SiO 2 phase contained in the internal oxide layer grows, and the fatigue strength improving effect cannot be obtained. Therefore, the finish annealing temperature is preferably 1150 ° C. or lower.
  • the insulating film is formed on the silicon steel sheet after finish annealing.
  • the insulating film may be, for example, a film composed of chromic acid and an organic resin, or a film composed of a phosphate and an organic resin.
  • the amount of the insulating coating adhered is preferably 0.1 to 5 gm- 2 per side.
  • the conditions in the examples are one condition example adopted for confirming the feasibility and effect of the present invention.
  • the present invention is not limited to this one-condition example.
  • various conditions can be adopted as long as the gist of the present invention is not deviated and the object of the present invention is achieved.
  • Example 1 After casting the molten steel with the adjusted composition, the silicon steel sheet was manufactured by controlling the manufacturing conditions in each process.
  • the chemical composition is shown in Tables 1 and 2, and the production conditions are shown in Tables 3 and 4.
  • a hot-rolled steel sheet having a plate thickness of 2.0 mm was produced by heating at a heating temperature of 1180 ° C. and hot rolling under the condition that the output side temperature of finish rolling was 970 ° C.
  • a layer containing about 10 ⁇ m of Fe 3 O 4 as a main component was formed on the surface as an external oxide layer.
  • the produced hot-rolled steel sheet was subjected to heat-retaining heat treatment at the temperatures and times shown in Tables 3 and 4 in an atmosphere where the oxygen partial pressure was 10-15 Pa or more during cooling after hot rolling to crystallize.
  • the grains were grown to 20 ⁇ m or more, and an internal oxide layer was formed.
  • the sample described as "heat-rolled sheet annealing" in the "heat retention” column in Table 4 was cooled to room temperature without heat retention during cooling after hot rolling, and then in an atmosphere of 100% nitrogen. Then, the hot-rolled plate was annealed at 800 ° C. for 60 seconds.
  • a steel sheet that has been hot-rolled and then heat-retained or hot-rolled and annealed is immersed in hydrochloric acid (10% by mass) at 85 ° C. to which the additives (0.05% by mass) shown in Tables 3 and 4 are added for 30 seconds. By doing so, pickling was performed.
  • the pickled steel sheet was cold-rolled at a reduction ratio of 75% to prepare a cold-rolled steel sheet having a thickness of 0.5 mm.
  • This cold-rolled steel sheet was finish-annealed at 1000 ° C. for 30 seconds in a furnace with a 10% hydrogen + 90% nitrogen atmosphere. The atmospheric dew point in the furnace at this time was ⁇ 30 ° C. Further, a phosphoric acid-based insulating film having an average thickness of 1 ⁇ m was formed on the silicon steel sheet after finish annealing.
  • B 50 and W 15/50 Magnetic characteristics (B 50 and W 15/50 ) A 55 mm square sample was cut and collected from the manufactured non-oriented electrical steel sheet, and B 50 (magnetic flux density of the steel sheet when the steel sheet was magnetized with a magnetization force of 5000 A / m) by Single Sheet Tester (SST), unit: T (Tesla)) and W 15/50 (iron loss when the steel sheet was magnetized to a magnetic flux density of 1.5 T at 50 Hz) were measured.
  • SST Single Sheet Tester
  • W 15/50 iron loss when the steel sheet was magnetized to a magnetic flux density of 1.5 T at 50 Hz
  • Fatigue strength A sample corresponding to the No. 5 test piece specified in Annex B of JIS Z 2241: 2011 was collected from the manufactured non-directional electromagnetic steel sheet by electric discharge machining from the rolling direction of the steel sheet, and under the following conditions. A fatigue test was performed. A test was conducted in which the stress ratio was kept constant and the minimum stress and the maximum stress were changed accordingly, and the stress conditions that did not break two or more out of three samples with 2 million repetitions were obtained, and the average stress ((( The fatigue strength was defined as the minimum stress + maximum stress) ⁇ 2).
  • the fatigue test was carried out under the condition that the average stress was in increments of ⁇ 10 MPa, and the condition that two or more of the three samples did not break at 2 million repetitions was determined, and the average strength at that time was defined as the fatigue strength.
  • Test conditions Test method Partial swing test Stress ratio 0.05 Frequency 20Hz Number of repetitions 2 million times Number of samples 1 Stress level 3 Fatigue strength evaluation criteria Pass: Average stress 200 MPa or more Fail: Average stress less than 200 MPa
  • the cross section of the manufactured non-directional electromagnetic steel sheet is polished, and an SEM image is taken at 1000 times using a backscattered electron image to obtain the front and back surfaces of the steel sheet. , A region of about 100 ⁇ m or more was observed in the plane direction of the steel sheet. If necessary, the cross section of the manufactured non-oriented electrical steel sheet was observed by TEM.
  • the structure of the internal oxide layer and the central portion of the silicon steel plate and the hardness measurement were carried out based on the above method.
  • the average thickness of the internal oxide layer was calculated from a total of 20 locations.
  • For Vickers hardness a total of 10 indentations were formed in each of the internal oxide layer and the central part under a measured load of 0.03 gf (2.94 ⁇ 10 -3 N), and each indentation (SEM). The diagonal length of the diamond) was measured, and the average value was calculated from a total of 10 locations. If necessary, the value measured using the nanoindenation method was converted to Vickers hardness.
  • the chemical composition of the manufactured silicon steel sheet is shown in Tables 1 and 2, and the manufacturing conditions and evaluation results are shown in Tables 3 to 6.
  • the chemical composition of the molten steel and the chemical composition of the silicon steel plate were substantially the same.
  • the underlined values in the table indicate that they are outside the scope of the present invention. Further, in the table, regarding the composition of the silicon steel sheet, "-" indicates that the alloying element was not intentionally added.
  • Test No. In the examples of the present invention of B1 to B26, since the component composition of the silicon steel sheet, the internal oxide layer, and the central portion of the steel sheet were preferably controlled, they were excellent in magnetic properties and fatigue strength as non-oriented electrical steel sheets. That is, these test Nos. In B1 to B26, non-oriented electrical steel sheets having excellent fatigue strength and magnetic properties were obtained without adding a new step for surface hardening.
  • non-oriented electrical steel sheet which is excellent in fatigue strength and magnetic characteristics and also excellent in cost. Therefore, it is possible to provide non-oriented electrical steel sheets that are suitable as iron core materials for electrical equipment, particularly as iron core materials for rotary machines, small and medium-sized transformers, electrical components, etc., and are particularly suitable as rotor cores for IPM motors. Further, it is possible to provide a non-oriented electrical steel sheet that can sufficiently meet the demand for high efficiency, high speed and miniaturization of a rotating machine in the field of electrical equipment. Therefore, it has high industrial applicability.
  • Non-oriented electrical steel sheet 11 Silicon steel sheet (base steel sheet) 13 Internal oxide layer 131 SiO 2- phase 15 Insulation coating (tension coating) 17 External oxide layer L Rolling direction

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Abstract

この無方向性電磁鋼板は、珪素鋼板と絶縁被膜とを備える。この珪素鋼板は、表面にＳｉＯ２相を含む内部酸化層を有し、内部酸化層の平均厚さが０．１０μｍ以上５．０μｍ以下であり、内部酸化層のビッカース硬さが、板厚中央部のビッカース硬さに対して、１．１５倍以上１．５倍以下である。

Description

無方向性電磁鋼板
　本発明は、主に、電気機器鉄心材料として使用される、疲労強度と磁気特性とに優れた無方向性電磁鋼板に関する。
　近年、電気機器、特に、無方向性電磁鋼板がその鉄心材料として使用される回転機、中小型変圧器、電装品等の分野では、世界的な電力・エネルギー節減、ＣＯ２削減等に代表される地球環境保全の動きの中で、高効率化、小型化の要請が、ますます強まりつつある。このような社会環境下では、当然、無方向性電磁鋼板に対しても、その性能向上が要求されている。
　一般に、モータは、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とからなる。近年、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの駆動用モータとしては、永久磁石をロータ内部に内蔵した永久磁石内蔵モータ（以下「ＩＰＭモータ」ということがある。）が主流であり、その高効率化、高出力化、高速回転化、小型化に向けた技術開発が進められている。
　ＩＰＭモータの性能向上のためには、ステータとロータ内部の永久磁石とをより近付ける必要があるため、ロータコア外縁部からロータ内部の永久磁石との距離を小さくする必要がある。一方、回転するロータコア外縁部には、回転時に永久磁石による遠心力が負荷され、高速回転ではその負荷がより大きくなる。それ故、ロータコア外縁部と永久磁石用のスロットとの間の部分（以下「ブリッジ部」ということがある。）の強度、特に、疲労強度が重要となる。そのため、例えば、以下の技術が開示されている。
　特許文献１には、ロータコアに使われる電磁鋼板自体の強度を高める技術が開示されている。特許文献２には、ロータコアの中で強度を高める必要がある部位は、前述のとおり、ブリッジ部であるので、その部分のみを強化するため、加工強化及び焼入強化を行う技術が開示されている。特許文献３には、ロータコア全体の強度を高めるため、ロータを外部からリング等により補強する技術が開示されている。
　しかし、特許文献１の技術では、電磁鋼板自体の強度が高くなるため、ロータコアのブランクの打抜き性が低下するという欠点がある。打抜き性の低下は、打抜き時のブランク精度の低下、打抜き速度の低下、または打抜き時の金型摩耗などを招くことになる。特許文献２の技術では、ロータコアを製造する際にブリッジ部のみを強化する付加工程が必要となるため、コストが増加する。また、特許文献３の技術では、ロータを外部から補強するリング等が必要となるため、コストが増加する。
　したがって、電磁鋼板自体の強度を高めることなく、かつ、新たな工程を追加することなしに、目的部位の強度、特に疲労強度を高める技術の開発が望まれている。
　前述したように、ロータコアのブリッジ部には、モータの回転により、繰り返し遠心力が負荷されるので、このブリッジ部の疲労強度を高める必要がある。代表的な疲労強度の向上手法としては、鋼（板）の表面を硬化させる手法がある。
　表面硬化法としては、例えば、焼入れ等に代表される鋼自体の変態強化、窒化や浸炭等で第２相を生成させる析出強化、及び、ショットピーニング等でひずみを導入する加工硬化があるが、いずれも、付加的な工程が必要である。
　これまで、無方向性電磁鋼板に関して、新たな工程を追加することなく、かつ、疲労強度及び磁気特性を両立させる技術は確立されていない。
日本国特許第５０００１３６号公報 日本国特許第４１６０４６９号公報 日本国特開２０１３－１１５８９９号公報 日本国特許第３３０７８９７号公報 日本国特許第４１１６７４８号公報 日本国特許第４１１６７４９号公報
鉄と鋼　Ｖｏｌ．６６（１９８０）、Ｎｏ．７、ｐ１０００～ｐ１００９ まてりあ　Ｖｏｌ．５０（２０１１）、Ｎｏ．３、ｐ１２６～ｐ１２８
　本発明は、従来技術に鑑み、無方向性電磁鋼板に関して、従来の製造方法に付加的な工程を加えることなく、疲労強度と磁気特性とを両立させることを課題とする。すなわち、本発明は、疲労強度と磁気特性とに優れ、コストにも優れる無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題を解決するため、無方向性電磁鋼板の製造工程を利用して、無方向性電磁鋼板の母材鋼板である珪素鋼板に表面硬化層を形成することを鋭意検討した。その結果、鋼成分と製造条件とを好ましく組合せれば、珪素鋼板の表面に内部酸化層を形成し、この内部酸化層の硬さを制御して表面硬化させることができ、疲労強度を高めることができることを見いだした。
　なお、内部酸化層は、特許文献４～６に記載されているように、厚さが厚くなると、特に、高周波での鉄損に悪影響を与える。そのため、本発明者らは、内部酸化層中の酸化物及び内部酸化層の厚さを制御し、この内部酸化層の硬さを制御することで、疲労強度と磁気特性とを両立させることを鋭意検討した。
　その結果、鋼成分を調整した鋼板に対して、熱間圧延後の冷却時に保熱処理を施し、この保熱条件を適切に制御すれば、内部酸化層中の酸化物と内部酸化層の平均厚さとを制御でき、この内部酸化層の硬さを制御できることを見出した。すなわち、新たな工程を追加することなく、疲労強度と磁気特性とが両立した無方向性電磁鋼板が得られることを知見した。
　本発明の要旨は以下のとおりである。
　（１）本発明の一態様にかかる無方向性電磁鋼板は、珪素鋼板と絶縁被膜とを備え、この珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、Ｓｉ：２．００％超４．００％以下、Ａｌ：０．１０％以上３．００％以下、Ｍｎ：０．１０％以上２．００％以下、Ｃ：０．００３０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｓｎ：０％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０％以上１．００％以下、Ｓｂ：０％以上０．４０％以下、ＲＥＭ：０％以上０．０４００％以下、Ｃａ：０％以上０．０４００％以下、Ｍｇ：０％以上０．０４００％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物よりなり、切断方向が板厚方向と平行な切断面で見たとき、珪素鋼板の５／８～３／８の板厚範囲である中央部のビッカース硬さが、１２０Ｈｖ以上３００Ｈｖ以下であり、上記切断面で見たとき、珪素鋼板が表面にＳｉＯ２相を含む内部酸化層を有し、内部酸化層の平均厚さが０．１０μｍ以上５．０μｍ以下であり、内部酸化層のビッカース硬さが、上記中央部のビッカース硬さに対して、１．１５倍以上１．５倍以下である。
　（２）上記（１）に記載の無方向性電磁鋼板では、珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下、Ｓｂ：０．０２％以上０．４０％以下の少なくとも１種を含有してもよい。
　（３）上記（１）または（２）に記載の無方向性電磁鋼板では、珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、ＲＥＭ：０．０００５％以上０．０４００％以下、Ｃａ：０．０００５％以上０．０４００％以下、Ｍｇ：０．０００５％以上０．０４００％以下の少なくとも１種を含有してもよい。
　（４）上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の無方向性電磁鋼板では、内部酸化層のビッカース硬さが、１５５Ｈｖ以上であってもよい。
　（５）上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の無方向性電磁鋼板では、内部酸化層の平均厚さが、０．５５μｍ以上であってもよい。
　本発明の上記態様によれば、疲労強度と磁気特性とに優れ、コストにも優れる無方向性電磁鋼板を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る無方向性電磁鋼板を示す断面模式図である。 本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法を示す流れ図である。 本実施形態に係る無方向性電磁鋼板に関して、母材鋼板に内部酸化層が形成される様子を示す断面模式図である。
　以下に、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただ、本発明は本実施形態に開示の構成のみに制限されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、下記する数値限定範囲には、下限値及び上限値がその範囲に含まれる。「超」または「未満」と示す数値は、その値が数値範囲に含まれない。各元素の含有量に関する「％」は、「質量％」を意味する。
　まず、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板（以下「本発明電磁鋼板」ということがある）に関して、母材鋼板である珪素鋼板の成分組成の限定理由について説明する。
　＜珪素鋼板の成分組成＞
　本実施形態では、珪素鋼板が、成分組成として、基本元素を含み、必要に応じて選択元素を含み、残部がＦｅ及び不純物からなる。
　本実施形態では、珪素鋼板の成分組成のうち、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎが基本元素（主要な合金化元素）である。
　Ｓｉ：２．００％超４．００％以下
　Ｓｉ（シリコン）は、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させ、鉄損の低減に寄与する元素であり、また、固溶強化で鋼板の降伏比を高めて、引張強度及び疲労強度の向上に寄与する元素である。さらに、Ｓｉは、後述するように、内部酸化層内にＳｉＯ２相を生成させ、鋼板表面を硬化させるのに必要な元素でもある。
　Ｓｉが２．００％以下であると、上記の効果が得られにくく、また内部酸化層の硬さを高めにくいので、Ｓｉは２．００％超とする。好ましくは２．１０％以上、より好ましくは２．３０％以上、より好ましくは２．６０％以上である。一方、Ｓｉが４．００％を超えると、磁束密度が低下するとともに、冷延等の作業性が低下し、製造コストが上昇するので、Ｓｉは４．００％以下とする。好ましくは３．７０％以下、より好ましくは３．４０％以下である。
　Ａｌ：０．１０％以上３．００％以下
　Ａｌ（アルミニウム）も、Ｓｉと同様に、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させ、鉄損の低減に寄与する作元素である。ただ、Ｓｉに比較して、硬さの上昇が小さい元素でもある。また、Ａｌは、飽和磁束密度Ｂｓに対する磁束密度Ｂ５０の比率：Ｂ５０／Ｂｓを高め、磁束密度の向上に寄与する元素である。
　Ａｌが０．１０％未満であると、添加効果が十分に得られないので、Ａｌは、０．１０％以上とする。好ましくは０．３０％以上、より好ましくは０．５０％超、さらに好ましくは０．６０％以上である。一方、Ａｌが３．００％を超えると、飽和磁束密度が低下して磁束密度が低下し、さらに、降伏比が低下して、引張強度及び疲労強度が低下するので、Ａｌは３．００％以下とする。好ましくは２．７０％以下、より好ましくは２．４０％以下である。
　Ｍｎ：０．１０％以上２．００％以下
　Ｍｎ（マンガン）は、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減するとともに、磁気特性に対して望ましくない｛１１１｝＜１１２＞集合組織の生成を抑制する作用をなす元素である。
　Ｍｎが０．１０％未満であると、添加効果が十分に得られないので、Ｍｎは０．１０％以上とする。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上、さらに好ましくは０．６０％超、さらに好ましくは０．７０％以上である。一方、Ｍｎが２．００％を超えると、焼鈍時の結晶粒の成長性が低下し、鉄損が増大するので、Ｍｎは２．００％以下とする。好ましくは１．７０％以下、より好ましくは１．５０％以下である。
　本実施形態では、珪素鋼板が、成分組成として、不純物を含有する。なお、「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石やスクラップから、または製造環境等から混入するものを指す。例えば、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｎ等の元素を意味する。これらの不純物は、本実施形態の効果を十分に発揮させるために、以下のように制限することが好ましい。また、不純物の含有量は少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、不純物の下限値が０％でもよい。
　Ｃ：０．００３０％以下
　Ｃ（炭素）は、鉄損を高めるとともに、磁気時効の原因ともなる不純物元素である。Ｃが０．００３％を超えると、鉄損が増大するとともに、磁気時効が著しく生じるので、Ｃは０．００３０％以下とする。好ましくは０．００２０％以下、より好ましくは０．００１０％以下である。下限は０％を含むが、生産技術上０％にすることは困難であり、実用上、０．０００１％が実質的な下限である。
　Ｐ：０．０５０％以下
　Ｐ（燐）は、引張強度の向上に寄与することもあるが、鋼板を脆化させる不純物元素である。Ｐが０．０５０％を超えると、Ｓｉを２．００％以上含有する鋼板が著しく脆くなるので、Ｐは０．０５０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。下限は０％を含むが、生産技術上０％にすることは困難であり、実用上、０．００２％が実質的な下限である。
　Ｓ：０．００５％以下
　Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳ等の微細な硫化物を形成し、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長を阻害する不純物元素である。Ｓが０．００５％を超えると、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長が著しく阻害されるので、Ｓは０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下、より好ましくは０．００２％以下である。下限は０％を含むが、生産技術上０％にすることは困難であり、実用上、０．０００３％が実質的な下限である。
　Ｎ：０．００５％以下
　Ｎ（窒素）は、ＡｌＮ等の微細な窒化物を形成し、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長を阻害する不純物元素である。Ｎが０．００５％を超えると、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長が著しく阻害されるので、Ｎは０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下、より好ましくは０．００２％以下である。下限は０％を含むが、生産技術上０％にすることは困難であり、実用上、０．０００５％が実質的な下限である。
　本実施形態では、珪素鋼板が、上記で説明した基本元素および不純物に加えて、選択元素を含有してもよい。例えば、上記した残部であるＦｅの一部に代えて、選択元素として、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇを含有してもよい。これらの選択元素は、その目的に応じて含有させればよい。よって、これらの選択元素の下限値を制限する必要がなく、下限値が０％でもよい。また、これらの選択元素が不純物として含有されても、上記効果は損なわれない。
　Ｓｎ：０％以上０．４０％以下
　Ｃｕ：０％以上１．００％以下
　Ｓｂ：０％以上０．４０％以下
　Ｓｎ（スズ）、Ｃｕ（銅）、Ｓｂ（アンチモン）は、磁気特性に望ましくない｛１１１｝＜１１２＞集合組織の生成を抑制する作用をなすとともに、鋼板表面の酸化を制御し、かつ、結晶粒成長を整粒化する作用をなす元素である。また、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂは、熱延鋼板における内部酸化層の厚さを適切に制御する作用をなす元素でもある。
　Ｓｎが０．４０％を超え、Ｃｕが１．００％を超え、Ｓｂが０．４０％を超えると、添加効果が飽和するとともに、仕上げ焼鈍時の結晶粒成長が抑制され、また、鋼板の加工性が低下し、冷延時に脆化するので、Ｓｎは０．４０％以下、Ｃｕは１．００％以下、Ｓｂは０．４０％以下とする。好ましくは、Ｓｎは０．３０％以下、Ｃｕは０．６０％以下、Ｓｂは０．３０％以下、より好ましくは、Ｓｎは０．２０％以下、Ｃｕは０．４０％以下、Ｓｂは０．２０％以下である。
　Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂの下限は、特に制限されず、０％でもよい。上記効果を好ましく得るためには、Ｓｎは０．０２％以上、Ｃｕは０．１０％以上、Ｓｂは０．０２％以上とすればよい。好ましくは、Ｓｎは０．０３％以上、Ｃｕは０．２０％以上、Ｓｂは０．０３％以上、より好ましくは、Ｓｎは０．０５％以上、Ｃｕは０．３０％以上、Ｓｂは０．０５％以上である。
　本実施形態では、珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下、Ｓｂ：０．０２％以上０．４０％以下の少なくとも１種を含有することが好ましい。
　ＲＥＭ：０％以上０．０４００％以下
　Ｃａ：０％以上０．０４００％以下
　Ｍｇ：０％以上０．０４００％以下
　ＲＥＭ（Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　Ｍｅｔａｌ）、Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）は、Ｓを硫化物又は酸硫化物として固定し、ＭｎＳ等の微細析出を抑制し、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長を促進する作用をなす元素である。
　ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇが０．０４００％を超えると、硫化物又は酸硫化物が過剰に生成し、仕上げ焼鈍時の再結晶及び結晶粒成長が阻害されるので、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇのいずれも、０．０４００％以下とする。好ましくは、いずれの元素も０．０３００％以下、より好ましくは０．０２００％以下である。
　ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇの下限は、特に制限されず、０％でもよい。上記効果を好ましく得るためには、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｍｇのいずれも、０．０００５％以上とすればよい。好ましくは、いずれの元素も０．００１０％以上、より好ましくは０．００５０％以上である。
　本実施形態では、珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、ＲＥＭ：０．０００５％以上０．０４００％以下、Ｃａ：０．０００５％以上０．０４００％以下、Ｍｇ：０．０００５％以上０．０４００％以下の少なくとも１種を含有することが好ましい。
　ここで、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、その少なくとも１種である。上記ＲＥＭの含有量はこれらの元素の少なくとも１種の合計含有量を意味する。ランタノイドの場合、工業的にはミッシュメタルの形で添加される。
　上記した鋼成分は、鋼の一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、鋼成分は、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すればよい。なお、ＣおよびＳは燃焼－赤外線吸収法を用い、Ｎは不活性ガス融解－熱伝導度法を用い、Ｏは不活性ガス融解－非分散型赤外線吸収法を用いて測定すればよい。
　なお、上記の成分組成は、珪素鋼板の成分組成であり、測定試料となる珪素鋼板が、表面に絶縁被膜等を有している場合は、これを除去して測定して得られる成分組成である。
　無方向性電磁鋼板の絶縁被膜等を除去する方法として、例えば、絶縁被膜等を有する無方向性電磁鋼板を、水酸化ナトリウム水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液の順に浸漬して、洗浄し、温風で乾燥する方法がある。この一連の処理で、絶縁被膜を除去した珪素鋼板を得ることができる。
　次に、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板に関して、珪素鋼板の内部酸化層について説明する。
　図１は、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を示す断面模式図である。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板１は、切断方向が板厚方向と平行な切断面で見たとき、珪素鋼板１１と、この珪素鋼板１１上に配された絶縁被膜１５とを備え、珪素鋼板が表面に内部酸化層１３を有する。この内部酸化層１３は、ＳｉＯ２相１３１を含む。なお、内部酸化層とは、Ｓｉ等の酸化物相が珪素鋼板の内部に粒子状または層状に分散した領域である。
　＜内部酸化層中のＳｉＯ２相＞
　内部酸化層は、ＳｉＯ２相を含む。本実施形態では、内部酸化層中にＳｉＯ２相を微細かつ緻密に析出させて、内部酸化層の硬さを制御することで、疲労強度の向上効果が得られる。
　内部酸化層中にＳｉＯ２相を微細かつ緻密に析出させるためには、鋼板にＳｉを２．００％超含有させる必要がある。その上で、熱間圧延後の冷却時の保熱処理を適切に制御する必要がある。
　＜内部酸化層の平均厚さ＞
　内部酸化層の平均厚さ：０．１０μｍ以上５．０μｍ以下
　内部酸化層の平均厚さが０．１０μｍ未満であると、疲労強度の向上効果が得られないので、内部酸化層の平均厚さは０．１０μｍ以上とする。好ましくは０．５μｍ超、より好ましくは０．５５μｍ以上、さらに好ましくは０．６μｍ以上であり、さらに好ましくは０．７μｍ以上であり、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。一方、内部酸化層の平均厚さが５．０μｍを超えると、磁気特性が低下、特に、鉄損が増大するので、内部酸化層の平均厚さは５．０μｍ以下とする。好ましくは４．０μｍ以下、より好ましくは３．０μｍ以下である。
　＜ビッカース硬さ＞
　本実施形態では、内部酸化層のビッカース硬さを、鋼板の中央部のビッカース硬さよりも高い値に制御する。すなわち、本実施形態では、電磁鋼板自体の強度を高めることなく、目的部位の強度のみを高めて、疲労強度を向上させる。
　＜鋼板の中央部のビッカース硬さ＞
　鋼板の中央部のビッカース硬さ：１２０Ｈｖ以上３００Ｈｖ以下
　切断方向が板厚方向と平行な切断面で見たとき、珪素鋼板の５／８～３／８の板厚範囲を中央部とする。この中央部のビッカース硬さが１２０Ｈｖ未満であると、十分な疲労強度が得られないので、中央部のビッカース硬さは１２０Ｈｖ以上とする。好ましくは１５０Ｈｖ以上、より好ましくは１７０Ｈｖ以上である。
　一方、中央部のビッカース硬さが３００Ｈｖを超えると、鋼板全体が硬すぎて、打抜き加工性が低下するので、中央部のビッカース硬さは３００Ｈｖ以下とする。好ましくは２７０Ｈｖ以下、より好ましくは２５０Ｈｖ以下である。
　なお、中央部のビッカース硬さは、Ｓｉ、Ａｌ、ＭｎのＦｅへの固溶強化や、仕上げ焼鈍後の結晶粒径によって制御できる。求める磁気特性、冷延時の加工性、製造コスト等を勘案して、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎの含有量を決定し、且つ仕上げ焼鈍後の結晶粒径を決定すればよい。なお、結晶粒径は、磁気特性、特に、鉄損にも影響を及ぼす。
　＜内部酸化層のビッカース硬さ＞
　内部酸化層のビッカース硬さ：中央部のビッカース硬さの１．１５倍以上
　ＳｉＯ２相を内部酸化層中に微細かつ緻密に析出させて、内部酸化層の硬さを制御することで、疲労強度をより高めることができる。すなわち、本実施形態では、内部酸化層のビッカース硬さが、鋼板の中央部のビッカース硬さよりも大きくなる。
　内部酸化層のビッカース硬さが、中央部のビッカース硬さの１．１５倍未満であると、十分な疲労強度の向上効果が得られないので、内部酸化層のビッカース硬さは、中央部のビッカース硬さの１．１５倍以上とする。好ましくは１．２０倍以上、より好ましくは１．２５倍以上である。
　内部酸化層のビッカース硬さの上限は、疲労強度の向上の観点で、特に規定されない。ただ、実質的に得られる内部酸化層のビッカース硬さは、最大で、中央部のビッカース硬さの１．５倍程度である。
　内部酸化層のビッカース硬さは、中央部のビッカース硬さの１．１５倍以上であればよいので、１３８Ｈｖ以上であればよい。ただ、内部酸化層のビッカース硬さは、１５５Ｈｖ以上であることが好ましく、１８０Ｈｖ以上であることがさらに好ましく、２００Ｈｖ以上であることがさらに好ましい。また、内部酸化層のビッカース硬さは、４００Ｈｖ以下であればよく、より好ましくは３００Ｈｖ以下であればよい。
　上記した珪素鋼板の内部酸化層および中央部の組織観察や硬さ測定は、一般的な観察・測定方法によって行えばよい。例えば、下記の方法によって行えばよい。
　無方向性電磁鋼板から、切断方向が板厚方向と平行となるように試験片を切り出し（詳細には、切断面が板厚方向と平行かつ圧延方向と垂直となるように試験片を切り出し）、この切断面の断面構造を、観察視野中に各層が入る倍率にてＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察する。例えば、反射電子組成像（ＣＯＭＰＯ像）で観察すれば、断面構造の構成相を類推できる。例えば、ＣＯＭＰＯ像において、珪素鋼板は淡色、内部酸化層中のＳｉＯ２相は濃色、絶縁被膜は中間色として判別できる。必要に応じて、ＳＥＭ－ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて成分組成の定量分析を行うことで、構成相を詳しく特定できる。
　また、珪素鋼板の表面領域に内部酸化層が存在するか否かもＳＥＭおよびＳＥＭ－ＥＤＸで特定すればよい。具体的には、珪素鋼板と上層との界面から珪素鋼板の深さ方向に向かってＳｉＯ２相が観察される領域が存在するか否かを確認する。ＳｉＯ２相は、ＥＤＸによって、ＳｉとＯとの原子比がおおよそ１：２である析出物を観察視野中で特定すればよい。例えば、上記の観察視野中で、基準線として板厚方向に沿う直線を設定し、この基準線上にＳｉＯ２相が観察される領域が存在するか否かを確認し、ＳｉＯ２相が観察される領域が珪素鋼板内に存在すれば、この領域を内部酸化層であると判断する。また、この領域の基準線上での線分（長さ）を、内部酸化層の厚さとすればよい。
　内部酸化層の平均厚さの決定は、以下のように行えばよい。ＳＥＭ像で、鋼板の平面方向で約１００μｍ以上の領域を観察する。そして、上記の基準線を等間隔に１０本以上設定し、それぞれの基準線上で内部酸化層の厚さを求める。求めた内部酸化層の厚さの平均値を、内部酸化層の平均厚さとする。
　なお、ＳｉＯ２相を同定する際や、内部酸化層の平均厚さを決定する際に、ＳＥＭの分解能よりもミクロな領域を観察する必要がある場合には、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いてもよい。
　ビッカース硬さは、ＪＩＳ　Ｚ　２２４４：２００９に記載の方法で測定することができる。内部酸化層のビッカース硬さは、ビッカース硬さの圧痕が、内部酸化層内に留まっている必要があり、その場合の測定荷重は、９．８×１０－５～９．８×１０－２Ｎの間が好ましい。
　内部酸化層のビッカース硬さは、内部酸化層の厚みに応じた形で測定すればよく、内部酸化層の厚みの範囲内で、最大の大きさの圧痕が得られる荷重を適宜設定すれば、より精度良く測定することができる。内部酸化層のビッカース硬さを精度良く測定するためには、荷重は、上記荷重範囲を超える荷重でもよい。
　ビッカース硬さの測定では、通常、光学顕微鏡を用いて圧痕径を測定するが、精度高く測定するために、ＳＥＭ等の電子顕微鏡を用い、１０００倍以上の倍率で圧痕径を測定してもよい。
　一方、鋼板の中央部のビッカース硬さは、内部酸化層のビッカース硬さを測定した荷重と同じ荷重で行うことが好ましい。その場合、圧痕径が、鋼板の結晶粒径に比べて小さいので、結晶粒界を避けて圧痕を設けて、圧痕径を測定することが望ましい。
　ＪＩＳに規定されているビッカース硬さ試験では、測定荷重が１ｇｆ（９．８×１０－２Ｎ）から設定されているが、荷重を精密に制御して、荷重を小さくし、圧痕が内部酸化層内部に留まるように荷重を設定し、ビッカース硬さを測定することが望ましい。なお、ビッカース硬さを測定する際に、光学顕微鏡またはＳＥＭの分解能よりもミクロな領域を観察する必要がある場合には、ナノインデンション法を用いて測定値をビッカース硬さに換算してもよい。
　次に、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
　図２は、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法を例示する流れ図である。本実施形態では、成分組成を調整した溶鋼を、鋳造し、熱間圧延し、熱間圧延後の冷却時に保熱処理し、酸洗し、冷間圧延し、次いで、仕上げ焼鈍を施して珪素鋼板を製造する。さらに、珪素鋼板の上層に、絶縁被膜を設けて無方向性電磁鋼板を製造する。
　ここで、内部酸化層の形成について説明する。図３は、母材鋼板に内部酸化層が形成される様子を示す断面模式図である。図３（Ａ）は熱間圧延後の状態を示し、図３（Ｂ）は保熱処理後の状態を示し、図３（Ｃ）は酸洗後の状態を示し、図３（Ｄ）は冷間圧延後の状態を示している。
　図３（Ａ）に示すように、熱間圧延によって、母材鋼板１１の表面に外部酸化層１７が形成される。続いて、図３（Ｂ）に示すように、熱間圧延後の冷却時の保熱処理によって、外部酸化層１７から酸素が母材鋼板１１中に拡散して、内部酸化層１３が形成される。この時、保熱処理の条件を制御することによって、内部酸化層１３中にＳｉＯ２相１３１を微細かつ緻密に析出させることが好ましい。
　次いで、図３（Ｃ）に示すように、酸洗によって、母材鋼板１１の表面の外部酸化層１７が除去される。この時、磁気特性の向上を目的として、内部酸化層１３の一部を酸洗により除去して、内部酸化層１３の厚さを制御してもよい。さらに、図３（Ｄ）に示すように、冷間圧延によって、母材鋼板１１の表面の内部酸化層１３を圧延方向Ｌに延展させる。冷間圧延後、内部酸化層１３をそのまま残存させてもよいし、内部酸化層１３の厚さが過剰である場合には、内部酸化層１３の一部を酸洗等で除去して、内部酸化層１３の厚さを制御してもよい。
　その後、例えば窒素と水素とを含む雰囲気中で仕上げ焼鈍を行い、母材鋼板の再結晶及び結晶粒成長を進行させて、ＳｉＯ２相を含有する内部酸化層が表面に存在する珪素鋼板を得ることができる。
　珪素鋼板の表面に絶縁被膜を施してもよい。絶縁被膜は、半有機被膜と呼ばれる被膜が一般的である。例えば、非特許文献１に開示されているクロム酸と有機樹脂とからなる被膜、又は、非特許文献２に開示されているりん酸塩と有機樹脂とからなる被膜が一般的である。絶縁被膜の付着量は、片面当たり０．１～５ｇｍ－２が好ましい。
　本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、珪素鋼板が内部酸化層を有し、この内部酸化層にＳｉＯ２相が含まれ、内部酸化層の平均厚さが０．１０μｍ以上５．０μｍ以下であり、鋼板の中央部のビッカース硬さが１２０Ｈｖ以上３００Ｈｖ以下であるとき、内部酸化層のビッカース硬さが、中央部のビッカース硬さの１．１５倍以上１．５倍以下であることを特徴とする。
　上記特徴を有する珪素鋼板は、例えば、以下の方法によって製造すればよい。
　＜熱間圧延＞
　成分組成が調整された鋳片を加熱して熱間圧延する。この際、鋼中の硫化物などの固溶および析出に伴って鉄損が悪化しないように、加熱温度は１２００℃以下とする。また、９００℃以上の仕上げ温度を確保するために、加熱温度は１０８０℃以上とする。
　熱間圧延の仕上げ温度が低いと、熱間加工性が低下し、鋼板の幅方向の板厚精度が低下するので、仕上げ温度の下限は９００℃とする。一方、仕上げ温度が１０００℃を超えると、磁性に良好な｛１００｝集合組織が減少するので、仕上げ温度の上限は１０００℃とする。
　なお、熱間圧延後の保熱処理時に内部酸化層が適切に形成されるように、熱間圧延では、熱延鋼板の表面に厚さが１μｍ以上の外部酸化層を形成させることが好ましい。外部酸化層の形成は、熱間圧延時の温度や保持時間などによって制御すればよい。
　＜保熱処理＞
　熱間圧延後の冷却時に、熱延鋼板を保熱する。保熱処理では、結晶粒径を２０μｍ以上に粗大化させ、また熱延鋼板の表面に生成した外部酸化層に含まれる酸素を熱延鋼板中に拡散させて内部酸化層を形成する。
　内部酸化層は、熱間圧延時に形成される外部酸化層、具体的には、マグネタイトを主として含み、ウスタイトやヘマタイトを含む外部酸化層を酸素源として、保熱処理時に酸素が鋼板内部に拡散することで形成される。
　熱間圧延後の冷却途中で、熱延鋼板を、酸素分圧が１０－１５Ｐａ以上である雰囲気中で、８５０℃以下７００℃以上の温度範囲で、且つ１０分以上３時間以下の時間で保熱することにより、ＳｉＯ２相が微細かつ緻密に析出した内部酸化層を形成でき、内部酸化層の硬さを好ましく制御できる。
　保熱温度が８５０℃を超えると、内部酸化層の平均厚さが厚くなる。そのため、冷間圧延後でも内部酸化層の平均厚さが５．０μｍを超えるので、内部酸化層の厚さを減じるための酸洗に負荷がかかることがある。また、保熱温度が８５０℃を超えると、ＳｉＯ２相が微細かつ緻密に析出しない。したがって、保熱温度は８５０℃以下が好ましい。一方、保熱温度は、鋼中のＳｉ濃度にもよるが、ＳｉＯ２相を微細かつ緻密に析出させるために７００℃以上が好ましく、７５０℃以上、さらに８００℃以上がより好ましい。
　保熱時間は、熱延鋼板の結晶粒を２０μｍ以上に粒成長させるために、１０分以上が好ましい。また、保熱時間は、ＳｉＯ２相を微細かつ緻密に析出させるために、１０分以上が好ましく、２０分以上、さらに３０分以上が、より好ましい。一方、保熱時間の上限は特に制限されないが、保熱時間が過剰であると、鋼板の表面付近で結晶粒界が脆化し、その後の酸洗及び冷間圧延で、割れや破断等が生じ易くなるので、保熱時間は３時間以下が好ましい。
　保熱処理の雰囲気は、酸素分圧が１０－１５Ｐａ以上であることが好ましい。雰囲気は、窒素等の不活性ガスの混合雰囲気が好ましい。
　なお、熱間圧延時に、外部酸化層を１μｍ以上形成させ、保熱処理時に、鋼板表面と保熱時の雰囲気との接触を遮断するよう調整した上で、保熱することが好ましい。例えば、熱延鋼板を巻き取った後に保熱すれば、コイルの最外表面以外では鋼板の板面同士が接触しているので、鋼板表面と保熱時の雰囲気との接触を好ましく遮断することができる。
　鋼板がＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂを含有する場合、これらの元素は、内部酸化層の形成・成長を抑制するので、上記範囲内で保熱温度を高めることができる。この場合、内部酸化層の過剰な成長を抑制しながら、結晶粒径を好ましく粗大化できる。また、鋼板がＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂを含有する場合、保熱温度を８００℃以上にすれば、適切な厚みの内部酸化層を形成すると同時に、磁束密度も好ましく改善することができる。
　ただ、鋼板にＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂを含有させても保熱温度が過剰に高ければ、磁気特性は向上するが、内部酸化層が厚くなりすぎることがある。その場合、酸洗処理時に酸洗量を制御して、内部酸化層を適切な厚さに調整してもよい。
　なお、鋼板がＳｎ、Ｃｕ、Ｓｂを含有する場合に内部酸化層の形成・成長が抑制されるメカニズムは、これらの元素が、外部酸化層と鋼との間に偏析し、外部酸化層に含まれる酸素が鋼板内部へ拡散することを阻害するためと考えられる。
　従来技術では、熱間圧延後に熱延鋼板を室温近くまで冷却した後に、再び加熱して、８００～１０００℃の温度範囲で約１分間保持する熱延板焼鈍を施していた。しかし、本実施形態では、内部酸化層を好ましく制御するために、熱間圧延後の冷却途中で熱延鋼板を上記条件で保熱する。そして、保熱後の鋼板を室温近くまで冷却した後、熱延板焼鈍を施さずに、酸洗および冷間圧延に供する。
　＜酸洗＞
　保熱処理後の母材鋼板を酸洗する。酸洗量（酸洗後の重量減少）は、鋼板表面の外部酸化層及び内部酸化層の状態と、酸洗に使用する酸種や濃度や温度により変化する。酸洗では、外部酸化層を溶解し、内部酸化層を目的の厚さに減厚すればよい。
　例えば、酸洗量を少なく調整する方法としては、酸洗時間を短くしたり、酸洗液の温度を下げたり、市販の酸洗抑制剤（ポリアミン等）を添加したりする方法が有効である。酸洗抑制剤は、例えば主成分としてポリアミンを含み、この高分子が、鉄原子の非共有電子対に吸着し易い性質を持つ。鋼板表面に高分子が付着することで、酸と接する面積が減り、酸洗速度が抑制される。この効果を高める添加剤として、例えば、蟻酸等が知られている。
　一方、酸洗量を多く調整する方法としては、酸洗時間を長くしたり、酸洗液の温度を上げたり、市販の酸洗促進剤（チオ硫酸ナトリウム等）を添加したりする方法が有効である。酸洗促進剤は、鉄原子にとってのキレート剤、即ち、鉄イオンに配位結合を形成し易い性質を持つ。酸洗促進剤が添加されていると、酸洗液に溶解している鉄をキレート化するため、酸洗液に溶解している鉄イオン濃度が高まりにくいので鉄の溶解速度が小さくならず酸洗が進行する。
　＜冷間圧延＞
　酸洗後の母材鋼板を冷間圧延する。冷間圧下率は５０～９０％であることが磁束密度を高める点で好ましい。なお、冷間圧下率は、累積の冷間圧下率であって、（冷間圧延前の板厚－冷間圧延後の板厚）÷冷間圧延前の板厚×１００によって求められる。最終製品の板厚から逆算し、冷間圧下率及び冷間圧延性等を勘案して決定することが望ましい。
　＜仕上げ焼鈍＞
　冷間圧延後の母材鋼板を仕上げ焼鈍する。仕上げ焼鈍は、冷延鋼板を再結晶させ、かつ、結晶粒径を調整して、磁気特性、特に、良好な磁束密度及び鉄損特性を得るための工程である。仕上げ焼鈍では、雰囲気が重要である。鋼板が酸化すると磁気特性が低下するので、仕上げ焼鈍雰囲気の酸素濃度は数十ｐｐｍ以下とすることが好ましい。
　雰囲気ガスは、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気が好ましく、必要に応じて、鋼板の酸化を防ぐために、水素を添加してもよい。なお、水素濃度を過度に上昇させると、内部酸化層が還元され、疲労強度上昇に寄与する微細なＳｉＯ２相が還元されてしまう。
　仕上げ焼鈍温度は、鋼板の再結晶が起きる７００℃以上が好ましい。仕上げ焼鈍温度が低すぎると、再結晶が不十分となる。一方、仕上げ焼鈍温度が高すぎると、内部酸化層に含まれる微細なＳｉＯ２相が成長し、疲労強度向上効果が得られない。そのため、仕上げ焼鈍温度は１１５０℃以下が好ましい。
　仕上げ焼鈍後の珪素鋼板に絶縁被膜を形成する。絶縁被膜は、例えば、クロム酸と有機樹脂とからなる被膜、又は、りん酸塩と有機樹脂とからなる被膜であればよい。絶縁被膜の付着量は、片面当たり０．１～５ｇｍ－２が好ましい。
　次に、実施例により本発明の一態様の効果を更に具体的に詳細に説明するが、実施例での条件は、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一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
　＜実施例１＞
　成分組成を調整した溶鋼を鋳造後、各工程での製造条件を制御して珪素鋼板を製造した。化学組成を表１および表２に示し、製造条件を表３および表４に示す。なお、上記の製造時、加熱温度１１８０℃で加熱し、仕上げ圧延の出側温度が９７０℃の条件で熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延鋼板を作製した。その際、表面には約１０μｍのＦｅ３Ｏ４を主成分とする層が外部酸化層として形成されていた。
　作製した熱延鋼板に対して、熱間圧延後の冷却途中、酸素分圧が１０－１５Ｐａ以上である雰囲気中で、表３および表４に記載の温度および時間で保熱処理を施し、結晶粒を２０μｍ以上に粒成長させ、また内部酸化層を形成した。なお、表４中の「保熱」欄に「熱延板焼鈍」と記載した試料は、熱間圧延後の冷却途中で保熱することなく室温まで冷却し、その後、窒素１００％の雰囲気中で、８００℃で６０秒間の熱延板焼鈍を施した。
　熱間圧延後に保熱または熱延板焼鈍を施した鋼板に、表３および表４に記載の添加剤（０．０５質量％）を添加した８５℃の塩酸（１０質量％）に３０秒浸漬することで酸洗を行った。酸洗後の鋼板に、圧下率：７５％の冷間圧延を施して０．５ｍｍ厚の冷延鋼板を作製した。この冷延鋼板に、１０％水素＋９０％窒素雰囲気の炉内で、１０００℃で３０秒間の仕上げ焼鈍を行った。この時の炉内の雰囲気露点は－３０℃であった。また、仕上げ焼鈍後の珪素鋼板に、平均厚さが１μｍのりん酸系の絶縁被膜を形成した。
　その後、磁気特性（Ｂ５０及びＷ１５／５０）及び疲労強度、そして、内部酸化層及び鋼板の中央部のビッカース硬さを測定した。その結果を表５および表６に併せて示す。
　磁気特性（Ｂ５０及びＷ１５／５０）
　製造した無方向性電磁鋼板から、５５ｍｍ角の試料を切断して採取し、Ｓｉｎｇｌｅ　Ｓｈｅｅｔ　Ｔｅｓｔｅｒ（ＳＳＴ）により、Ｂ５０（鋼板を磁化力５０００Ａ／ｍで磁化した場合の鋼板の磁束密度、単位：Ｔ（テスラ））及びＷ１５／５０（鋼板を５０Ｈｚで磁束密度１．５Ｔに磁化した時の鉄損）を測定した。
　Ｂ５０の評価基準
　　合格：１．６５Ｔ以上　不合格：１．６５Ｔ未満
　Ｗ１５／５０の評価基準
　　合格：３．０Ｗ／ｋｇ以下　不合格：３．０Ｗ／ｋｇ超え
　疲労強度
　製造した無方向性電磁鋼板から、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１：２０１１の付属書Ｂに規定されている５号試験片に相当する試料を、鋼板の圧延方向から放電加工により採取し、以下の条件で疲労試験を行った。応力比を一定とし、それに応じた最小応力及び最大応力を変化させた試験を行い、試料数３個のうち、繰返し数２００万回で２個以上破断しない応力条件を求め、その平均応力（（最小応力＋最大応力）÷２）を疲労強度とした。
　平均応力が±１０ＭＰａ刻みとなる条件で疲労試験を行い、試料数３個のうち繰返し数２００万回で２個以上破断しない条件を求め、その時の平均強度を疲労強度とした。
　試験条件
　　試験方法　部分片振り試験
　　応力比　　０．０５
　　周波数　　２０Ｈｚ
　　繰返し数　２００万回
　　試料数　　１応力水準　３個
　疲労強度の評価基準
　　合格：平均応力２００ＭＰａ以上　不合格：平均応力２００ＭＰａ未満
　内部酸化層の平均厚さ、内部酸化層析出物の分析
　製造した無方向性電磁鋼板の断面を研磨し、反射電子像を用い１０００倍でＳＥＭ像を撮影して、鋼板の表面と裏面について、鋼板平面方向で約１００μｍ以上の領域を観察した。必要に応じて、製造した無方向性電磁鋼板の断面をＴＥＭによって観察した。
　なお、珪素鋼板の内部酸化層および中央部の組織観察や硬さ測定は、上記の方法に基づいて実施した。内部酸化層の平均厚さは、計２０か所から平均値を計算した。また、ビッカース硬さは、測定荷重０．０３ｇｆ（２．９４×１０－３Ｎ）にて、内部酸化層及び中央部のそれぞれに計１０か所の圧痕を形成し、ＳＥＭにて各圧痕（ひし形）の対角線長を測定し、計１０か所から平均値を計算した。必要に応じて、ナノインデンション法を用いて測定した値をビッカース硬さに換算した。
　製造した珪素鋼板の化学組成を表１および表２に示し、製造条件および評価結果を表３～表６に示す。なお、溶鋼の化学組成および珪素鋼板の化学組成は実質的に同じであった。表中で下線を付した数値は、本発明の範囲外にあることを示す。また、表中で、珪素鋼板の成分組成に関して、「－」は合金化元素を意図的に添加していないことを示す。
　表１から表６に示すように、試験Ｎｏ．Ｂ１～Ｂ２６である本発明例は、珪素鋼板の成分組成、内部酸化層、および鋼板の中央部が好ましく制御されているので、無方向性電磁鋼板として磁気特性および疲労強度に優れていた。すなわち、これらの試験Ｎｏ．Ｂ１～Ｂ２６では、表面硬化させるための新たな工程を追加することなしに、疲労強度と磁気特性とに優れる無方向性電磁鋼板が得られた。
　一方、表２、表４、および表６に示すように、試験Ｎｏ．ｂ１～ｂ１４である比較例は、珪素鋼板の成分組成、内部酸化層、または鋼板の中央部の何れかが好ましく制御されていないので、無方向性電磁鋼板として磁気特性または疲労強度の何れかが満足できなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　本発明の上記態様によれば、疲労強度と磁気特性とに優れ、コストにも優れる無方向性電磁鋼板を提供することができる。そのため、電気機器の鉄心材料、特に、回転機、中小型変圧器、電装品等の鉄心材料として好適であり、特に、ＩＰＭモータのロータコアとして好適な無方向性電磁鋼板を提供することができる。また、電気機器の分野における高効率化や、回転機の高速化及び小型化要請に十分に応えることができる無方向性電磁鋼板を提供することができる。よって、産業上の利用可能性が高い。
　１          無方向性電磁鋼板
　１１        珪素鋼板（母材鋼板）
　１３        内部酸化層
　１３１      ＳｉＯ２相
　１５        絶縁被膜（張力被膜）
　１７        外部酸化層
　Ｌ          圧延方向

Claims (5)

  1. 　珪素鋼板と、絶縁被膜とを備える無方向性電磁鋼板において、
    　前記珪素鋼板が、成分組成として、質量％で、
    　　Ｓｉ：２．００％超４．００％以下、
    　　Ａｌ：０．１０％以上３．００％以下、
    　　Ｍｎ：０．１０％以上２．００％以下、
    　　Ｃ：０．００３０％以下、
    　　Ｐ：０．０５０％以下、
    　　Ｓ：０．００５％以下、
    　　Ｎ：０．００５％以下、
    　　Ｓｎ：０％以上０．４０％以下、
    　　Ｃｕ：０％以上１．００％以下、
    　　Ｓｂ：０％以上０．４０％以下、
    　　ＲＥＭ：０％以上０．０４００％以下、
    　　Ｃａ：０％以上０．０４００％以下、
    　　Ｍｇ：０％以上０．０４００％以下
    　を含有し、残部がＦｅ及び不純物よりなり、
    　切断方向が板厚方向と平行な切断面で見たとき、前記珪素鋼板の５／８～３／８の板厚範囲である中央部のビッカース硬さが、１２０Ｈｖ以上３００Ｈｖ以下であり、
    　前記切断面で見たとき、前記珪素鋼板が表面にＳｉＯ２相を含む内部酸化層を有し、前記内部酸化層の平均厚さが０．１０μｍ以上５．０μｍ以下であり、前記内部酸化層のビッカース硬さが、前記中央部のビッカース硬さに対して、１．１５倍以上１．５倍以下である
    ことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  2. 　前記珪素鋼板が、前記成分組成として、質量％で、
    　　Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、
    　　Ｃｕ：０．１０％以上１．００％以下、
    　　Ｓｂ：０．０２％以上０．４０％以下
    　の少なくとも１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。
  3. 　前記珪素鋼板が、前記成分組成として、質量％で、
    　　ＲＥＭ：０．０００５％以上０．０４００％以下、
    　　Ｃａ：０．０００５％以上０．０４００％以下、
    　　Ｍｇ：０．０００５％以上０．０４００％以下
    　の少なくとも１種を含有する
    ことを特徴とする請求項１又２に記載の無方向性電磁鋼板。
  4. 　前記内部酸化層のビッカース硬さが、１５５Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の無方向性電磁鋼板。
  5. 　前記内部酸化層の平均厚さが、０．５５μｍ以上であることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の無方向性電磁鋼板。
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