JP4280139B2

JP4280139B2 - 無方向性電磁鋼板とその製造方法

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Publication number: JP4280139B2
Application number: JP2003344763A
Authority: JP
Inventors: 吉宏有田; 穣松本; 真一金尾
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005113158A

Description

本発明は電気機器の鉄心材料として使用される無方向性電磁鋼板及びその製造方法、特に、打抜き加工性に優れ、高い降伏強度を有する無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、世界的な電気機器の省エネルギー化の高まりにより、回転機の鉄心材料として用いられる無方向性電磁鋼板に対しても、より高性能な特性が要求されてきている。

周知の通り、ＳｉやＡｌ含有量を増加させて固有抵抗を高め、かつ、結晶粒径を大きくすることは低鉄損化を図る主要な方法であるが、最近では、電気自動車用モータ等において高速回転に耐えるモータが要求されるようになってきた。

特に、磁石埋め込み型のモータ回転子（ロータ）の場合、磁石埋め込み部とロータ外周までの距離が１mmにも満たない場合が多く、高速回転による遠心力に耐え得るためには、打抜き時の加工性が良好で、かつ、降伏応力（ＹＰ）が４００ＭPa以上の鋼板が要求されるようになってきた。

一方、埋め込まれた磁石は、その磁力によって、モータ固定子（ステータ）と反発・吸引を繰り返す必要があるが、ロータ温度が上昇することで磁石の温度も上昇し、磁力が弱まってモータ効率が低下するという問題も発生することが判ってきた。

ロータの温度上昇は、ロータに生じる鉄損によってもたらされるため、温度上昇を抑制するためには高周波鉄損、特に、高周波での渦電流損の低い材料が要求されるようになってきた。

このようなニーズに対し、例えば、特許文献１では、ＳｉにＭｎやＮｉの元素を加えて高強度を図る方法が、特許文献２では、ＳｉにＮｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖの炭窒化物を鋼中に分散させて高強度を図る方法が提案されている。

いずれも、高強度化に伴なって鋼板が脆くなり、生産性や歩留が著しく悪化するという問題があった。

一方、結晶粒径を微細化することは鋼板の脆化を伴わず、高強度化するために有効な手段である。上述の開示特許においても、結晶粒径を６０μｍ以下にすること等が示されているが、その手段としては、仕上焼鈍温度を下げて調整する方法しか示されていない。

一般に、金属は合金元素を含有に応じて再結晶温度が上昇することが知られており、無方向性電磁鋼板においても、Ｓｉとを含有するために再結晶温度が高くなっている。

このため、仕上焼鈍にて再結晶させると粒成長を伴ない、結晶粒の微細化が図れないという問題があった。

特開昭６２−２５６９１７号公報特開平０６−３３０２５５号公報

本発明は、高速回転モータ用の鉄心材料として、打抜き加工性に優れ、高い降伏応力を有する無方向性電磁鋼板及びその製造方法を低コストで提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下（１）〜（５）を要旨とするものである。

（１）質量％で、Ｃ：０．００１０％以上０．０１０％以下、Ｓｉ：１．５％以上３．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ａｌ：０．２％以上３．０％以下、Ｔｉ：０．００１０％以上０．０１０％以下、Ｍｇ：０．０００３％以上０．００５０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、製品板の結晶粒径ｄが５μｍ以上４０μｍ以下で、かつ、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）の関係を満たし、板厚が０．３５ｍｍ以下、降伏応力が４００ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。

（２）前記（１）記載の成分組成からなる鋼片を熱間圧延後、冷間圧延を施し、次いで、仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、熱間圧延の仕上温度を８３０℃以上、巻取温度を６５０℃以下とし、仕上焼鈍温度を７５０℃以上８３０℃以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。

（３）前記（２）記載の高い降伏強度を有する無方向性電磁鋼板の製造方法において、冷延前の結晶粒径を１５０μｍ以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。

（４）前記（２）又は（３）記載の高い降伏強度を有する無方向性電磁鋼板の製造方法において、熱延板焼鈍温度を８３０℃以上９５０℃以下、６５０℃までの冷却速度を１０℃／sec以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。

無方向性電磁鋼板では一般的なＳｉ、Ａｌ範囲で、高い降伏応力を達成した本発明は、材料の脆化がもたらす生産性悪化やコスト増加がない。

発明者らは、打抜き加工性に優れ、高い降伏応力を有する無方向性電磁鋼板の開発するための成分組成と製造条件について鋭意研究した。その結果、以下の実験に基づき、本発明を完成させた。

（実験１）
実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ａｌを０．３％含有し、Ｓｉ量を変化させた鋼片を熱間圧延にて板厚２．３mmとし、熱延板焼鈍を９００℃で６０秒行ない、酸洗を経て冷間圧延にて板厚０．３５mmとした。そして仕上焼鈍を施し、加工性が損なわれない結晶粒径の範囲として１０〜４０μｍに調整した試料について引張試験を行ない、降伏強度（ＹＰ）を評価した。

その結果、表１に示す通り、４００ＭPa以上の降伏強度を得られたのは、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）を満たす符号１、６〜８、１１〜１５の試料であった。

次に、質量％で、Ｓｉを１．８％含有し、Ａｌ量を変化させた鋼片で同様の試験を行なったところ、表２に示す通り、４００ＭPa以上の降伏強度を得られたのは、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）を満たす符号１、６〜８、１１〜１５の試料であった。

これは、ＳｉとＡｌを添加することによって得られる強化と、結晶粒径を小さくすることによって得られる強化が相乗したものと考えられ、降伏応力４００ＭPa以上を達成するための両者の関係として、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）を知見したものである。

（実験２）
実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．０％、Ａｌ：２．０％、Ｍｇ：０．００００〜０．００１０％、Ｔｉ：０．００１０％、Ｃ：０．００１０％を含む鋼片を作製し、熱間圧延にて仕上温度を８００〜９００℃、巻取温度を６００〜７００℃に変化させた後、酸洗を経て板厚０．３５mmまで冷間圧延した。そして８００℃で３０秒の仕上焼鈍を施した後に結晶粒径を評価した。

その結果を表３に示すが、４０μｍ以下の結晶粒径を得るためには、Ｍｇを０．０００３％以上添加し、かつ、熱間圧延の仕上温度を８３０℃以上、巻取温度を６５０℃以下にする必要があることを知見した。

この結果は以下のように考えられる。結晶粒径を４０μｍ以下にできた符号１３、１４、１６、１７、２２、２３、２５、２６の試料については、仕上焼鈍時に何らかの理由で粒成長が抑制できたためと考え、透過型電子顕微鏡にて仕上焼鈍後の微細析出物を観察したところ、ＴｉＣが結晶粒界に析出していることを突き止めた。

従って、これらの試料については、仕上焼鈍前半でＴｉＣが再結晶した結晶粒界に析出し、仕上焼鈍後半で起こる粒成長を抑制することができたものと推察される。

このＴｉＣを仕上焼鈍時の粒成長抑制に効果的に活用するためには、仕上焼鈍前に完全に鋼中に固溶させておく必要があるので、熱間圧延の仕上温度が低い符号１０〜１２、１９〜２１や、巻取温度の高い符号１５、１８、２４、２７では、ＴｉＣは仕上圧延時あるいは巻取り時に析出してしまい、仕上焼鈍時の粒成長抑制効果が十分機能しなかったものと推察される。

また、Ｍｇを全く含有しない符号１〜９では、ＴｉＣの生成が十分でないために効果が発揮できないことを知見した。この理由についてはよく判っていないが、Ｍｇが存在しないと、ＴｉＮ＋ＭｎＳの複合析出が多数確認されることから、Ｔｉは窒化物として消費されてしまうことでＴｉＣ生成量が減少するためと考えている。

（実験３）
実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．８％、Ａｌ：２．２％、Ｍｇ：０．００１５％、Ｔｉ：０．０００７〜０．００２０％、Ｃ：０．０００７〜０．００２０％を含む鋼片を作製し、熱間圧延にて仕上温度を８５０℃、巻取温度を６２０℃に変化させた後、酸洗を経て板厚０．３５mmまで冷間圧延した。そして、８００℃で３０秒の仕上焼鈍にて結晶粒径を評価した。

その結果を表４に示すが、４０μｍ以下の結晶粒径が得られたのは、符号６〜８、１０〜１２、１４〜１６の試料であり、Ｔｉを０．００１０％以上、Ｃを０．００１０％以上含有させる必要があることを知見した。これは実験２にて、仕上焼鈍前半でＴｉＣが再結晶した結晶粒界に析出し、仕上焼鈍後半で起こる粒成長を抑制することを知見しているが、その構成元素であるＴｉとＣの必要量を知見するものである。

続いて、本発明における数値の限定理由について説明する。

Ｃは、ＴｉＣを生成するために必要であるが、その目的のためには０．００１０％以上を含有する必要がある。ただし、０．０１０％を超えると、磁気時効によって著しく鉄損劣化するので、上限を０．０１０％とした。

Ｓｉは、電気抵抗を増加させるためと降伏強度を高めるために必要な元素で、その目的のためには１．５％以上添加する必要がある。ただし、過度に添加すると冷延性を著しく悪くするため、３．５％を上限とした。

Ａｌは、Ｍｇを含有させる際の脱酸材として０．２％以上添加する必要がある。また、Ｓｉ同様に電気抵抗を増加させるためと降伏強度を高めるために必要な元素であるが、多量に添加すると鋳造性を悪化させるため、３．０％を上限とした。

Ｍｎは、Ｓｉ、Ａｌ同様に電気抵抗を増加させるのに有効であるが、コストを考慮して１．５％を上限とした。

Ｍｇは、ＴｉＣの生成を促進するために必要な元素で、そのためには０．０００３％以上を含有する必要がある。ただし、過度に添加するとコスト増となるため、０．００５０％を上限とした。

Ｔｉは、ＴｉＣを生成するために必要であるが、その目的のためには０．００１０％以上を含有する必要がある。ただし、０．０１０％を超えると、析出物量が増えて著しく鉄損劣化するので、上限を０．０１０％とした。

製品板の結晶粒径は４０μｍを超えると、モータコアに打抜く際にバリやカエリが大きくなって加工性が悪化するため、上限を４０μｍとした。一方、５μｍ未満では、冷延ままの未再結晶組織が不均一に残存し、モータコア打抜き時の寸法精度を悪化させるため、下限を５μｍとした。

さらに、降伏応力４００ＭPa以上を得るための結晶粒径とＳｉ、Ａｌ量の関係から、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）を規定した。

次に、本発明における製造条件の限定理由について説明する。

熱間圧延では、ＴｉＣを完全に鋼中に固溶させて析出を抑制する必要がある。従って、ＴｉＣを完全に固溶させるために仕上温度を８３０℃以上とし、固溶したＴｉＣを析出させないために巻取温度を６５０℃以下とした。

熱延板焼鈍は磁性改善のために行なってもよいが、その場合は熱間圧延と同じく、ＴｉＣを析出させないことを目的に焼鈍温度を８３０℃以上とし、６５０℃までの冷却速度を１０℃／sec以上とした。

また、熱延板焼鈍の結晶粒径が大きくなりすぎると、仕上焼鈍時の結晶粒成長が良好になって結晶粒を細かくできないので、焼鈍温度の上限を９５０℃とし、冷延前の結晶粒径の上限を１５０μｍとした。

冷間圧延については特に規定しないが、要求される鉄損に応じて冷延厚みを変更することとする。特に、高周波における渦電流損を低くするためには、板厚を薄くすることが非常に有効であることから、板厚０．５０mmよりも０．３５mm以下に薄くすることが望ましい。

仕上焼鈍温度は未再結晶組織が残存しないことと、冷延形状を矯正する目的から、その下限を７５０℃とした。また、ＴｉＣが再固溶して結晶粒成長の抑止効果が消失してしまわないように、上限を８３０℃とした。

実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：１．９％、２．４％、Ａｌ：０．２〜１．８％、Ｍｇ：０．００１０％、Ｔｉ：０．００１０％、Ｃ：０．００１０％を含む鋼片を作製し、熱間圧延にて仕上温度を８７０℃、巻取温度を６３０℃とし、９００℃で６０秒の熱延板焼鈍を行ない、酸洗を経て、板厚０．３５mmまで冷間圧延し、８００℃で３０秒の仕上焼鈍を施した。

その結果、いずれの材料も結晶粒径ｄは３０μｍであった。表５に結果を示すが、降伏強度（ＹＰ）≧４００を満足するのは、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）を満足する符号４、６〜８の試料であった。

実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．２％、Ａｌ：１．２％、Ｍｇ：０．００２０％、Ｔｉ：０．００１７％、Ｃ：０．００２５％を含む鋼片を作製し、熱間圧延の仕上温度を８００〜８７５℃、巻取温度を６００〜７５０℃とし、９００℃で６０秒の熱延板焼鈍を行ない、酸洗を経て、板厚０．３０mmに冷間圧延し、８３０℃で３０秒の仕上焼鈍を施した。

その結果を表６に示すが、降伏強度（ＹＰ）≧４００と結晶粒径４０μｍ以下の両方を満足するのは符号５、６、９、１０、１３、１４の試料であった。

実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．８％、Ａｌ：０．８％、Ｍｇ：０．００２０％、Ｔｉ：０．０００５〜０．００３０％、Ｃ：０．０００５〜０．００３０％を含む鋼片を作製し、熱間圧延の仕上温度を８７５℃、巻取温度を６２０℃とし、酸洗を経て、板厚０．２５mmに冷間圧延し、８３０℃で３０秒の仕上焼鈍をした。

その結果を表７に示すが、全ての試料において降伏強度≧４００ＭPaを満たすものの、結晶粒径４０μｍ以下と両方を満足するのは符号６〜８、１０〜１２、１４〜１６の試料であった。

実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．３％、Ａｌ：１．８％、Ｍｇ：０．００００〜０．００２０％、Ｔｉ：０．００１５％、Ｃ：０．００２０％を含む鋼片を作製し、熱間圧延の仕上温度を８５０℃、巻取温度を６５０℃とし、酸洗を経て、板厚０．３０mmに冷間圧延し、８１５℃で３０秒の仕上焼鈍をした。

その結果を表８に示すが、全ての条件において降伏強度（ＹＰ）≧４００ＭPaは満たすものの、結晶粒径４０μｍ以下と両方を満足するのは、符号２〜８の試料であった。

実験室にて真空溶解を行ない、質量％で、Ｓｉ：２．６％、Ａｌ：１．４％、Ｍｇ：０．００１８％、Ｔｉ：０．００１７％、Ｃ：０．００２５％を含む鋼片を作製し、熱間圧延の仕上温度を８８０℃、巻取温度を６３０℃とし、熱延板焼鈍温度を８００〜１０００℃まで変化させて１２０秒間行ない、酸洗を経て、板厚０．３５mmに冷間圧延した後、８２０℃で３０秒の仕上焼鈍を施した。

その結果を表９に示すが、全ての条件で降伏強度（ＹＰ）≧４００ＭPaは満たすものの、結晶粒径４０μｍ以下と両方を満足するのは、符号２〜６の試料であった。

無方向性電磁鋼板では一般的なＳｉ、Ａｌ範囲で、高い降伏応力を達成した本発明は、材料の脆化がもたらす生産性悪化やコスト増加がないため、今後の需要増が見込まれる電気自動車を始めとした高強度材の要求分野への商品供給が可能となり、かつ、省エネルギーに貢献するので、その工業的価値は非常に大きい。

Claims

質量％で、Ｃ：０．００１０％以上０．０１０％以下、Ｓｉ：１．５％以上３．５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ａｌ：０．２％以上３．０％以下、Ｔｉ：０．００１０％以上０．０１０％以下、Ｍｇ：０．０００３％以上０．００５０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、製品板の結晶粒径ｄが５μｍ以上４０μｍ以下で、かつ、ｄ≦５０×（Ｓｉ＋０．５Ａｌ−２）の関係を満たし、板厚が０．３５ｍｍ以下、降伏応力が４００ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
請求項１記載の成分組成からなる鋼片を熱間圧延後、冷間圧延を施し、次いで、仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、熱間圧延の仕上温度を８３０℃以上、巻取温度を６５０℃以下とし、仕上焼鈍温度を７５０℃以上８３０℃以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
請求項２記載の高い降伏強度を有する無方向性電磁鋼板の製造方法において、冷延前の結晶粒径を１５０μｍ以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
請求項２又は３記載の高い降伏強度を有する無方向性電磁鋼板の製造方法において、熱延板焼鈍温度を８３０℃以上９５０℃以下、６５０℃までの冷却速度を１０℃／sec以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。