JP5614063B2 - 高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は，回転機のロータ用鉄心素材として用いられる無方向性電磁鋼板，特に，高速回転時の応力あるいは加減速時の繰り返し応力変動に耐え得る，優れた機械特性と磁気特性とを兼ね備えた無方向性電磁鋼板に関するものである。

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，電装品等の分野においては，世界的な電力・エネルギー節減，ＣＯ_２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，小型化の要請はますます強まりつつある。このような社会環境下において，当然，無方向性電磁鋼板に対しても，その性能向上は，喫緊の課題である。折しも，最近の目覚しいシステム制御技術の発達と相俟って，回転機分野においては駆動システムの高度化により，さまざまな回転機駆動制御が可能となった。すなわち，駆動電源の周波数制御により，可変速運転，商用周波数以上での高速運転を可能とした回転機が増加し，上記の高効率化，小型化を推進する上での主要技術となりつつある。

ところで，このような高速回転機の実現には，まず，高速回転時の応力に耐え得る構造のロータとする必要がある。一般に，回転機のロータ鉄心に作用する遠心力は，回転半径に比例し，かつ，回転速度の二乗に比例する。このため，高速回転機のロータには非常に大きな応力が作用し，ロータ鉄心素材としては高張力であることが要求される。

一般に，回転機のロータ鉄心には，積層した無方向性電磁鋼板が使用される場合が多いが，上記のような高速回転機では所要の機械強度を満足できない場合があり，その際には中実の鋳鋼製のロータが使用されることもあった。しかし，回転機のロータは磁気現象を活用するものであるから，その鉄心素材としては機械特性と同時に磁気特性に優れていることが必要である。すなわち，中実鋳鉄製ロータでは，一体物であるために，鉄心の渦電流損が非常に大きくなり，特に高速回転時には高周波鉄損が著しく増大し，電磁鋼板を積層したロータに比べ回転機効率が著しく低下するという問題があった。さらに，ロータ鉄心素材の磁束密度が低いと，所要のトルクを発生させるための必要磁束をロータに流すためには励磁アンペアターンを大きくしなければならず，励磁コイルでの銅損の増大に繋がる。

このように，高速回転機のロータ鉄心素材としては，機械特性的には高い降伏強度を有し，かつ，磁気特性的，特に高速回転に伴い高周波鉄損に優れていることが望ましい。鋼板の機械強度を高める手段として，自動車用鋼板等の冷延鋼板の分野では一般に，固溶強化，析出強化，加工強化，細粒化強化，変態組織による強化等の方法が用いられるが，高い機械強度と低い鉄損とは物理的に相反する関係にあり，これらを同時に満足させることは極めて困難であった。

しかし，この課題を解決すべく，高張力を有する無方向性電磁鋼板についてのいくつかの提案がなされてきている。例えば，特許文献１のように，Ｓｉ含有量を３．５〜７．０％と高め，これに固溶強化の大きい元素を添加し張力を高める方法が提案されているが，この方法では，Ｓｉ含有量に依存している割合が高いために，熱延板から最終冷延厚みに圧延するに際して，１００〜６００℃での温間圧延が必要になる等，製造工程上の課題があった。さらに，この技術によって得られる鋼板の磁束密度Ｂ50は１．５６〜１．６１Ｔと，通常の無方向性電磁鋼板に比較し低いという問題もあった。また，特許文献２では，Ｓｉ含有量を２．５〜７．０％と高め，これに固溶強化の大きい元素を添加した溶鋼を急冷凝固法により鋼帯となし，これを温間または冷間圧延し，焼鈍を施して高張力無方向性電磁鋼板を製造する方法が提案されている。この方法によれば，Ｓｉ含有量を高めても，急冷凝固法であるため圧延時の脆化問題は緩和されるものの，急冷凝固法という特殊な鋳造法を用いねばならず，工業的に広く用いられている通常の圧延法には適用し難いという問題があった。

さらに，特許文献３では，Ｓｉ含有量は２．０〜３．５％とし，ＮｉあるいはＮｉとＭｎ含有量を高め，通常の冷間圧延を施し，焼鈍条件を制御することにより得られる降伏強度≧６０ｋｇｆ／ｍｍ²級の高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。また，特許文献４では，Ｓｉ含有量は２．０〜４．０％とし，ＮｉあるいはＮｉとＭｎ含有量を高めるとともに，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｖの炭窒化物による析出強化を図ることによる降伏強度≧７０ｋｇｆ／ｍｍ²級の高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。また，特許文献５では，Ｓｉ含有量は３．５％以下とし，再結晶部分を２５％以下とした未再結晶組織を用いた高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。しかし，これらの高張力無方向性電磁鋼板では，磁気特性の劣化を最小限に抑えつつ，通常の無方向性電磁鋼板に比較し高い降伏強度を得ているものの，実際の高速回転において問題となる降伏強度の確保，および，高周波鉄損の低減は十分ではなく，高速回転機のロータ鉄心として使用した場合に，自ずと満足のいく回転機効率が得られないという問題があった。

特開昭６０−２３８４２１号公報 特開昭６１−９５２０号公報 特開昭６２−２５６９１７号公報 特開平２−８３４６号公報 特開２００６−９０４８号公報

上記に鑑み本発明は，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を提供しようとするものである。

本発明者らは，無方向性電磁鋼板において，固溶強化，析出強化，加工強化，細粒化強化，変態組織による強化等の方法に，固溶元素による電気抵抗増大や飽和磁束密度向上効果を相乗させ，機械特性と同時に磁気特性に優れた鋼板とすることはできないかとの観点から鋭意研究を進めてきた。その結果，通常の無方向性電磁鋼板の製造工程で通板可能な範囲のＳｉ含有量を基本に，Ｎｉ，Ｍｎ，さらには，Ｃｒ等の元素添加，および，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｖ炭窒化物を活用した結晶粒の細粒化により，高い降伏強度と低い高周波鉄損を兼備することが可能であることを見出した。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであり，その要旨は，次のとおりである。
（１）質量％で，Ｃ：０．０１％以下，Ｎ：０．０１％以下，Ｓｉ：２．８％以上４．０％以下，Ａｌ：０．１％以上３．０％以下，Ｐ：０．００２％以上０．２％以下，さらに，ＮｉとＭｎについて，Ｎｉ：０．５％以上４．０％以下，Ｍｎ：０．５％以上３．０％以下の少なくとも一種を，かつ，Ｃｒ：２．０９％以上１０．０％以下を含有し，残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなることを特徴とする、冷間圧延後に仕上焼鈍され（ただし、焼鈍後に鋼板内部に加工組織が残存する仕上焼鈍は除く）、高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
（２）さらに、質量％で，０．１≦（Ｎｂ＋Ｚｒ）／８（Ｃ＋Ｎ）≦１．０の範囲でＮｂもしくはＺｒの少なくとも一種を含有することを特徴とする（１）に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
（３）さらに、質量％で，０．１≦（Ｔｉ＋Ｖ）／４（Ｃ＋Ｎ）≦１．０の範囲でＴｉもしくはＶの少なくとも一種を含有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
（４）さらに、質量％で，Ｂ：０．００１％以上０．００７％以下を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。

以上のように，本発明法によれば，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を得ることができ，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分野における高効率化，小型化要請に十分に応えることができ，その工業的価値は極めて高いものである。

以下，本発明を詳細に説明する。
まず，本発明の鋼成分の限定理由について述べる。
Ｓｉは，電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損も含め鉄損を低減する作用を有すると同時に，固溶強化により鋼の張力を高める作用を有する成分であり，これらの作用を奏するためには，２．８％以上含有させる必要がある。一方，その含有量が増えると磁束密度が低下し，また，冷延などの作業性の低下や鋼板の脆化，さらにはコスト高をも招くので，４．０％以下とする。
Ａｌ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ることにより，高周波鉄損を含め鉄損を低減する作用のある成分であり，このためには，０．１％以上含有させる必要がある。一方，その含有量が３．０％を超えると，磁束密度が低下するとともに，冷延などの作業性の低下や鋼板の脆化，さらにはコスト高をも招くので，３．０％以下とする。

降伏強度を高めるためには，さらにＮｉ，Ｍｎの少なくとも一種を含有させる。この場合，Ｎｉは，固溶強化により鋼の張力を高める効果を有するとともに，電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損も含め鉄損を低減する効果を有し，さらには，飽和磁気モーメントの増大を活用することにより磁束密度の向上にも寄与する。これらの効果を得るためには０．５％以上添加する必要がある。しかし，その含有量が増えると，逆に，飽和磁気モーメントの低下に起因した磁束密度の低下が生じ，かつコスト高ともなるので，４．０％以下とする。Ｍｎも，固溶強化により鋼の張力を高める効果を有するとともに，電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損も含め鉄損を低減する効果を有する。これらの効果を得るためには０．５％以上添加する必要がある。しかし，その含有量が増えると，磁束密度が低下し，また，コスト高ともなるので３．０％以下とする。

高周波鉄損を低減するためには，さらにＣｒを含有させる。この場合，Ｃｒは，電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損も含め鉄損を低減するとともに，応力感受性が低くなり，回転機のロータ用鉄心加工や高速回転時の応力変動に伴う鉄心特性不安定化を軽減する効果を有する。また，固溶強化により鋼の張力を高める効果も若干有する。このためには，０．２％以上含有させる必要がある。一方，その含有量が１０．０％を超えると，磁束密度が低下し，また，コスト高ともなるので１０．０％以下とする。
なお、本発明では、Ｃｒ含有量の下限を実施例で確認されている２．０９％に規定した。

Ｐは，鋼の張力を高める効果が非常に大きい元素で，この作用を奏するためには，０．００２％以上含有させる必要がある。一方，Ｐは結晶粒界に偏析することから鋼の脆化をもたらす場合もある。この粒界偏析による脆化を避けて，通常の無方向性電磁鋼板の製造工程での通板を可能にするとともに，鋼板の脆化を避けるために０．２％以下の範囲で添加する。

ＮｂおよびＺｒは微細に析出した炭窒化物を形成し，細粒化強化および析出強化により鋼の張力を高める効果を有する。これらの元素は炭窒化物形成による析出強化効果が大きいと同時に，冷延，仕上焼鈍後の結晶粒成長抑制効果も有し，結晶粒径制御による細粒化強化，さらには，高周波鉄損低減にも寄与することができる。
この効果を得るためには，（Ｎｂ＋Ｚｒ）／８（Ｃ＋Ｎ）が０．１以上である必要があり，また，その含有量が増えても再結晶温度の上昇，さらには，鋼板の脆化も招くので，（Ｎｂ＋Ｚｒ）／８（Ｃ＋Ｎ）で１．０以下とする。この場合，炭窒化物形成のためのＣとＮは，０．０1％以下とする必要がある。ＣとＮが０．０1％を超えて含有された場合には，磁気時効等により鉄損特性が著しく劣化する。尚，炭窒化物形成の観点からは，Ｃは０．００３％以上，Ｎは０．００１％以上とすることが好ましい。

ＴｉおよびＶも微細に析出した炭窒化物を形成し，細粒化強化および析出強化により鋼の張力を高める効果を有する。これらの元素も炭窒化物形成による析出強化効果が大きいと同時に，冷延，仕上焼鈍後の結晶粒成長抑制効果も有し，結晶粒径制御による細粒化強化，さらには，高周波鉄損低減にも寄与することができる。
この効果を得るためには，（Ｔｉ＋Ｖ）／４（Ｃ＋Ｎ）が０．１以上である必要があり，また，その含有量が増えても再結晶温度の上昇，さらには，鋼板の脆化も招くので，（Ｔｉ＋Ｖ）／４（Ｃ＋Ｎ）で１．０以下とする。この場合，炭窒化物形成のためのＣとＮは，０．０1％以下とする必要がある。ＣとＮが０．０1％を超えて含有された場合には，磁気時効等により鉄損特性が著しく劣化する。尚，炭窒化物形成の観点からは，Ｃは０．００３％以上，Ｎは０．００１％以上とすることが好ましい。

上述の成分以外は，Ｆｅおよび不可避不純物元素であるが，高張力化に伴う結晶粒界の脆化を回避する目的で，必要に応じてＢを添加してもよい。この場合，Ｂは０．００１％以上添加する必要がある。一方，その含有量が増えても，磁束密度の低下や，通常の無方向性電磁鋼板の製造工程における熱間圧延時の脆化等をもたらすので０．００７％以下とする。

前記成分からなる無方向性電磁鋼板により，高い降伏強度と低い高周波鉄損を得ることができる。製造法としては例えば，前記成分からなる鋼スラブを溶製し，この鋼スラブに加熱および熱間圧延を施し，熱間圧延鋼板とする。次いで，この熱間圧延鋼板に冷間圧延を施して所定の製品厚の冷間圧延鋼板とする。その後，仕上焼鈍を施して最終製品とする。尚，結晶粒成長に伴う降伏強度の低下や，製造工程における脆化を回避する観点から，熱延板焼鈍や冷間圧延時の中間焼鈍はむしろ施さない方が好ましく，前記成分からなる熱間圧延鋼板を用いていれば，熱延板焼鈍や冷間圧延時の中間焼鈍を施さずとも，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を得ることができる。

次に本発明の実施例を示す。
（実施例１）
表１に示した成分の鋼を熱間圧延後，０．２０ｍｍ厚みに冷間圧延した後，７５０℃×２０秒の連続仕上焼鈍を施し，その後，エプスタイン試料に切断し磁気特性を測定するとともに，引張試験片に加工し機械特性を測定した。表２に示すように，Ｎｏ．１に比較しＮｏ．２〜７は，Ｎｉ，Ｍｎ添加による固溶強化により，高い降伏強度と引張強度が得られている。しかしながら、Ｎｏ．1〜３は、Ｃｒが含まれていないため、鉄損値が高い。これに加え，Ｎｏ．４〜７では，さらにＣｒを添加しているため，Ｎｏ．２，３よりも低い高周波鉄損が得られ，降伏強度および引張強度もＮｏ．２，３と同等乃至は高いものが得られている。表２から明らかなように，本発明法によれば，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

（実施例２）
表３に示した成分の鋼を熱間圧延後，０．２５ｍｍ厚みに冷間圧延した後，７８０℃×３０秒の連続仕上焼鈍を施し，その後，エプスタイン試料に切断し磁気特性を測定するとともに，引張試験片に加工し機械特性を測定した。表４に示すように，Ｎｏ．１１に比較しＮｏ．１２は，Ｃｒ添加により，低い高周波鉄損が得られている。しかしながら、Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２は、Ｎｉが含まれず、Ｍｎの含有量も０．５％未満であるため、降伏強度及び引張強度が高くない。これに対して，Ｎｏ．１３では，さらにＮｉを添加しているため，固溶強化により，高い降伏強度と引張強度が得られている。Ｎｏ．１４〜１６では，さらに，微細に析出したＮｂもしくはＺｒ炭窒化物による強化によりＮｏ．１３よりも高い降伏強度および引張強度が得られ，高周波鉄損もＮｏ．1３と同等乃至は低いものが得られている。表４から明らかなように，本発明法によれば，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

（実施例３）
表５に示した成分の鋼を熱間圧延後，０．２５ｍｍ厚みに冷間圧延した後，８００℃×２０秒の連続仕上焼鈍を施し，その後，エプスタイン試料に切断し磁気特性を測定するとともに，引張試験片に加工し機械特性を測定した。表６に示すように，Ｎｏ．２１に比較しＮｏ．２２は，Ｃｒ添加により，低い高周波鉄損が得られている。しかしながら、Ｎｏ．２１及びＮｏ．２２は、Ｎｉが含まれず、Ｍｎの含有量も０．５％未満であるため、降伏強度及び引張強度が高くない。これに対して、Ｎｏ．２３では，さらにＭｎを添加しているため，固溶強化により，高い降伏強度と引張強度が得られている。Ｎｏ．２４〜２６では，さらに，微細に析出したＴｉもしくはＶの炭窒化物による強化によりＮｏ．２３よりも高い降伏強度および引張強度が得られ，高周波鉄損もＮｏ．２３と同等乃至は低いものが得られている。表６から明らかなように，本発明法によれば，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

本発明法によれば，機械特性および磁気特性ともに優れた，高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を得ることができ，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分野における高効率化，小型化要請に十分に応えることができ，その工業的価値は極めて高いものである。

Claims (4)

1. 質量％で，Ｃ：０．０１％以下，Ｎ：０．０１％以下，Ｓｉ：２．８％以上４．０％以下，Ａｌ：０．１％以上３．０％以下，Ｐ：０．００２％以上０．２％以下，さらに，ＮｉとＭｎについて，Ｎｉ：０．５％以上４．０％以下，Ｍｎ：０．５％以上３．０％以下の少なくとも一種を，かつ，Ｃｒ：２．０９％以上１０．０％以下を含有し，残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなることを特徴とする、冷間圧延後に仕上焼鈍され（ただし、焼鈍後に鋼板内部に加工組織が残存する仕上焼鈍は除く）、高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
2. さらに、質量％で，０．１≦（Ｎｂ＋Ｚｒ）／８（Ｃ＋Ｎ）≦１．０の範囲でＮｂもしくはＺｒの少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
3. さらに、質量％で，０．１≦（Ｔｉ＋Ｖ）／４（Ｃ＋Ｎ）≦１．０の範囲でＴｉもしくはＶの少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
4. さらに、質量％で，Ｂ：０．００１％以上０．００７％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。