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JP6931391B2 - 磁気特性に優れた無方向性電磁鋼及びその製造方法 - Google Patents

磁気特性に優れた無方向性電磁鋼及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、鋼板及びその製造方法に関し、特に無方向性電磁鋼板及びその製造方法に関する。
近年、下流産業の高効率、省エネルギー、環境保護に対する要求がますます厳しくなり、モータ、圧縮機、Ｅｉコア原料を製造するための無方向性電磁鋼板に対する要求もより高くなる。より優れた磁気特性を有する無方向電着工鋼をもっと安価に提供することが望まれる。
従来技術では、一般的な磁気改良手段は以下のとおりである。Ｓｉ質量％が１．５％以下の無方向性電磁鋼板に、Ｃ、Ｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ等の有害な元素の含有量を低減させ、微細介在物の数を減らすことによって、鉄損を低減し、磁束密度を増加させる。
従来技術におけるもう１つの一般的な磁気改良手段として、完成品の磁気特性を改善するため、鋼に合金元素を添加することがある。例えば、希土類元素を添加することにより、硫黄化物を制御し、有害不純物元素を低減する。また、例えば、Ｂ元素を添加してＢＮを形成することにより、ＡｌＮの析出を抑制することがあるが、Ｂ元素を添加する製造工程では、製品を安定して生産することが困難である。また、従来技術では合金元素Ｓｎ、Ｓｂを添加することで磁気特性を改善することもあり、元素の偏析により再結晶集合組織を改善させ、磁束密度を増加させるのである。しかしながら、Ｓｎ、Ｓｂを添加することで元素の偏析においてある程度の不安定性を引き起こし、そして不均一な表面偏析はコーティングを脱落させる傾向がある。そのため、合金を添加して鋼の磁気特性を改善する改善手段は、完成品の磁気を改善することができるものの、製造コストの増加を余儀なくされる。また、合金を添加して鋼の磁気特性を改善する改善手段自体も効果が安定しない場合もある。
例えば、公開日：２０１４年６月２５日、公開番号：ＣＮ１０３８８２２９３、名称：「無方向性電磁鋼及びその製造方法」である中国特許文献は無方向電着工鋼を開示する。この特許文献は、Ｓｉの質量％が１％未満の無方向性電磁鋼に成分としてＣｅとＳｎ元素を複合添加している。したがって、該特許文献に記載の無方向電磁鋼に熱延板の通常処理を行わない場合、鉄損が０．４〜０．８Ｗ／ＫＧ低下するとともに、磁束密度が０．０１〜０．０２Ｔ向上する。
本発明の目的の一つは、磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板を提供することである。化学元素Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌの含有量をコントロールすることにより、粒子の大きい酸化物系介在物および粒子の小さい硫黄化物、窒化物の析出を低減・制御させ、焼鈍後の結晶粒成長を促進し、磁気特性に優れた無方向性電磁鋼が得られる。
本発明は、上記目的を達成するために、磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板を提供し、その化学元素組成が、質量％で、以下のとおりである。
Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．０１〜０．３０％、Ａｌ：０．００１〜０．００９％、Ｏ：０．００５〜０．０２％、Ｃ≦０．００５％、Ｓ≦０．００５％、Ｎ≦０．００５％、Ｔｉ≦０．００２％、残部がＦＥ、及び他の不可避不純物；かつＡｌ／Ｓｉ≦０．００６、Ｍｎ／Ｓｉ≦０．２である。
本発明の技術手段では、化学元素Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎの含有率をコントロールすることにより、低融点の酸化物系介在物、特にケイ酸塩系酸化物系介在物の数及び形態が制限され、そして微細な窒化物や硫黄化物の析出が低減され、磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板が得られる。
また、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板中の各化学元素の設計原理は以下のとおりである。
ケイ素：本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、ケイ素は鋼の電気抵抗率を増加させる有効元素である。Ｓｉの質量％が０．２％未満では、効果的な鉄損低減作用を発揮できない。一方、Ｓｉの質量％が１．５％を超えると、磁束密度が著しく低下し、また加工性が悪くなる。したがって、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、ケイ素の質量％を０．２〜１．５％に制御する。
マンガン：本発明にかかる技術手段において、マンガンは鋼の電気抵抗率を増加させると共に、電磁鋼の表面状態を改善するためのものである。したがって、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、マンガンの質量％を０．０１〜０．３０％とする。
アルミニウム：微細なＡｌＮ質点は結晶粒成長を抑制するため、無方向性ケイ素鋼磁気特性を劣化させる主要な有害介在物の一つである。また、Ａｌの質量％が低い鋼は、Ａｌの含有量が高いほど、ＡｌとＮ元素の結合数が多くなり、そして発生するＡｌＮ介在物も多くなるため、電磁気特性への危害が大きくなる。したがって、本発明の技術手段において、Ａｌの質量％を制限すると共に、Ａｌ／Ｓｉの比率を制限することで、Ａｌの含有量を制御してからＡｌＮの析出量を制御する。そこで、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、Ａｌの質量％を０．００１〜０．００９％、かつＡｌ／Ｓｉ≦０．００６に制御する。
また、Ａｌは最も強い還元剤であり、溶鋼中の大部分の遊離酸素を還元することができる。アルミニウムの質量％が低い条件では、鋼中に常に一定の遊離酸素が存在し、鋼中の弱脱酸素元素Ｓｉ、Ｍｎを酸化する。溶鋼温度が徐々に低下することに伴い、Ｓｉ、Ｍｎ元素及びＯの溶解度積が徐々に飽和し、鋼中に一定の数のＳｉＯ２、ＭｎＯが析出する。Ｍｎの含有量が高いほど、生成するＭｎＯが多くなる。一方、ＭｎＯの融点が低く、初期溶融温度が１０００℃未満であり、スラブ加熱、圧延過程において、ＭｎＯが変形しやすくなり、かつ結晶粒界がピン止めされ、そして再結晶効果及び結晶粒成長が抑制される。したがって、ＭｎＯの含有量及びその変形度合を制御するためには、Ｍｎ／Ｓｉの比率を制御する必要がある。Ｍｎ／Ｓｉ≦０．２の場合、酸化物系介在物中のＳｉＯ２の含有量が高く、ＳｉＯ２、ＭｎＯの複合再生により、融点を高めつつその変形度合を低減し、ＭｎＯによる製品磁気への危害を低減させる。一方、Ｍｎ／Ｓｉの比率を制御することは、ＳｉＯ２の含有量の向上に有利であり、ＭｎＳ、ＡｌＮがＳｉＯ２介在相の界面に析出することにも有利であり、鋼中のＭｎＳ、ＡｌＮの析出物の数を低減し、完成品の結晶粒の増大にも役立つ。
炭素：炭素は、本発明にかかる無方向性電磁鋼板中の有害な残留元素である。本発明の技術手段において、炭素は結晶粒成長を強く抑制し、鋼の磁気特性を劣化させやすく、かつ深刻な磁気時効を生成させる。したがって、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、炭素の質量％を０．００５％以下に制御する。
硫黄：硫黄は本発明にかかる無方向性電磁鋼板中の有害な残留元素であり、硫黄の質量％が増加すると硫黄化マンガンなどの硫黄化物の析出数が増加し、結晶粒成長を阻害し、鉄損を劣化する。したがって、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板において、硫黄の質量％を０．００５％以下に制御する。
窒素：窒素は本発明にかかる無方向性電磁鋼板中の有害な残留元素であり、窒素の質量％の増加に伴い、ＡｌＮなどの窒化物の析出が増加し、結晶粒成長を阻害し、鉄損を劣化する。したがって、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、窒素の質量％を０．００５％以下に制御する。
チタン：チタンは本発明にかかる無方向性電磁鋼板中の有害な残留元素であり、強い磁気特性劣化元素なので、厳密に制御される必要がある。したがって、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、チタンの質量％を０．００２％以下に制御する。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼は、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｎＯの３元系介在物を有し、ＳｉＯ２が９５〜９８体積％、Ａｌ２Ｏ３が２体積％〜３体積％、ＭｎＯが２体積％以下である。
更に、磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板を得るために、本技術手段では、介在物の含有量を更に限定する。その理由は下記のとおりである。ケイ酸塩系の介在物は、高い延性及び広い範囲の形態比（一般形態比≧３）を有し、前記介在物の端部が鋭角であり、その結晶粒成長に対する阻害作用を防止するために、その体積％を限定する。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、鋼板中のケイ酸塩系酸化物系介在物（すなわち、Ｃ系酸化物系介在物）のレベルが１．５級以下とされる。ケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルが１．５以下では、それが結晶粒成長への抑制を一層防止できる。なお、レベルがＧＢ１０５６１−２００５で評価される。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、鋼板中のケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルが１．０級以下とされる。
好ましくは、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、結晶粒のサイズが４５μｍ以上とされる。
より好ましくは、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、結晶粒のサイズが５０μｍ以上とされる。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、Ａｌ／Ｓｉ≦０．００３である。より良い実施効果を得るために、Ａｌ／Ｓｉの比率を更にＡｌ／Ｓｉ≦０．００３に限定する。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、鉄損Ｐ１５／５０が３．８Ｗ／ＫＧ以下、磁束密度≧１．６４Ｔである。
更に、本発明にかかる無方向性電磁鋼板において、鉄損Ｐ１５／５０が３．３Ｗ／ＫＧ以下である。
そして、本発明の他の目的は、上記の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板の製造方法を提供することである。この製造方法により得られる無方向性電磁鋼板は、鉄損の程度が大幅に改善され、取り扱いが簡便で量産に適する。
上記目的を達成するために、本発明は上記の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板の製造方法を提供する。この製造方法は、下記工程を順に含む。
（１）製錬工程
（２）加熱温度を８５０℃〜１２５０℃、仕上げ圧延温度を８００〜１０５０℃とする熱間圧延工程
（３）酸洗工程
（４）冷間圧延工程
（５）板温を６２０℃〜９００℃に制御する鈍焼工程
（６）コーティング工程
本発明にかかる製造方法の工程（２）における、スラブの加熱温度及び熱間圧延仕上温度への制御は、鋼中のＡｌＮ及びＭｎＳの鋼中における微細分散析出を減少させるためである。
また、歪み焼鈍後の鉄損の不具合や変動を防止し・無くし、焼鈍後の結晶粒をより成長させるために、焼鈍工程においての板温を６２０℃〜９００℃に制御する。
本発明にかかる無方向性電磁鋼板は磁気特性に優れ、鋼板鉄損が大幅に改善され、結晶粒のサイズが４５μｍ以上であり、鉄損度が３．８Ｗ／ＫＧ以下であり、磁束密度≧１．６４Ｔである。
また、本発明にかかる磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板は、化学元素Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌの含有率をコントロールすることにより、粒子の大きい酸化物系介在物および粒子の小さい硫黄化物、窒化物の析出の数および形態を効果的に制御する。
本発明にかかる製造方法は、上記利点に加え、製造コストが低く、操作しやすいという利点を有する。本発明にかかる製造方法は、希土類元素又は合金元素、例えば、Ｓｎ、Ｓｂ及びＢを添加する必要がないため、製造コストが削減し、製造工程の操作ステップが低減し、大量生産に適する。
以下に具体的な実施例を参照しながら、本発明にかかる無方向性電磁鋼板及びその製造方法について更に解釈・説明するが、該解釈及び説明は、本発明の技術手段を不当に限定するものではない。
実施例Ａ１〜Ａ９及び比較例Ｂ１−Ｂ４
上記実施例及び比較例の鋼板は以下の工程により製造される。
（１）製錬工程：表１に従って製錬を行った。
（２）熱間圧延工程：加熱温度は８５０℃〜１２５０℃、仕上げ圧延温度は８００〜１０５０℃とした。
（３）酸洗工程：冷間圧延前に、曲げと酸洗を繰り返し、表面の酸化鉄皮を除去し、酸洗した後に水をスプレーして表面の酸液及び汚れを除去した。
（４）冷間圧延工程：連続冷間圧延機群で圧延し、総圧下率を７０〜８５％に制御した。
（５）焼鈍工程：焼鈍前に６０〜９０℃のアルカリ液で表面の圧延油及び汚れを除去しておき、Ｈ２＋Ｎ２混合ガス雰囲気で連続焼鈍炉で焼鈍して製造し、焼鈍際の板温を６２０℃〜９００℃に制御した。
（６）コーティング工程：クロム含有又はクロムフリーのコーティングを塗布して鋼板の表面にコーティングした。
なお、コーティング塗料は、各実施形態の詳細に応じて選択され、例えば、クロム含有コーティングを採用してもよく、クロムフリーコーティングを採用してもよい。
表１に各実施例及び比較例の各化学元素の質量％を示す。
Figure 0006931391
備考：ケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルはＧＢ１０５６１−２００５に基づいて評価した。
表２に各実施例及び比較例の製造方法における具体的な工程条件を示す。
Figure 0006931391
上記実施例及び比較例の鋼板をサンプリングし、性能試験を行い、試験により得られた関連性能パラメータを表３に示した。
表３に各実施例及び比較例の性能パラメータを示す。
Figure 0006931391
表３から、本願実施例Ａ１〜Ａ９の鉄損Ｐ１５／５０が比較例Ｂ１−Ｂ４より著しく低いから、本願実施例の電磁気特性能が比較例より優れたことが分かった。
表４にＪＩＳ規格に基づいたパラメータ基準を示す。
Figure 0006931391
表４から、本願実施例Ａ１〜Ａ９はＪＩＳ規格に基づき、低ランク番号５０Ａ１０００から高ランク番号５０Ａ４００までの無方向性電磁鋼板の性能の指標に達したことが分かった。
表１及び３の結果から分かるように、比較例Ｂ１及びＢ３は、Ｍｎの質量％が０．３％を超え、かつＭｎ／Ｓｉ＞０．２であるため、それらの鉄損値がいずれも３．８Ｗ／ＫＧ超となり、比較例Ｂ２及びＢ４は、Ａｌの質量％が０．００９％を超え、かつＡｌ／Ｓｉ＞０．００６であるため、その鉄損値が３．８Ｗ／ＫＧを下回ることができなかった。また、比較例Ｂ１〜Ｂ４のケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルが高すぎて結晶粒のサイズが小さいことも、それらの実施効果が本願実施例Ａ１〜Ａ９より劣る原因であった。
なお、以上に挙げられたのは本発明の具体的な実施例であり、本発明は以上の実施例に限定されず、それに伴って多くの類似変化を有する。当業者であれば、本発明の開示する内容から直接導き出されるか又は連想される全ての変形は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるものである。

Claims (8)

  1. 磁気特性に優れた無方向性電磁鋼であって、その化学元素組成が、質量％で、Ｓｉ：１．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２０〜０．３０％、Ａｌ：０．００１〜０．００９％、Ｏ：０．００５〜０．０２％、Ｃ≦０．００５％、Ｓ≦０．００５％、Ｎ≦０．００５％、Ｔｉ≦０．００２％、残部がＦｅ、及び他の不可避不純物；かつＡｌ／Ｓｉ≦０．００６、Ｍｎ／Ｓｉ≦０．２であり、かつ、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｎＯの３元系介在物を有し、ここで、ＳｉＯ２が９５〜９８体積％であり、Ａｌ２Ｏ３が２％〜３体積％であり、ＭｎＯが２体積％以下であり、そして鉄損Ｐ１５／５０が３．８Ｗ／ＫＧ以下であり、磁束密度≧１．６４Ｔであることを特徴とする無方向性電磁鋼。
  2. 鋼板中のケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルが１．５級以下であることを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼。
  3. 鋼板中のケイ酸塩系酸化物系介在物のレベルが１．０級以下であることを特徴とする請求項２に記載の無方向性電磁鋼。
  4. 結晶粒のサイズが４５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼。
  5. 結晶粒のサイズが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の無方向性電磁鋼。
  6. Ａｌ／Ｓｉ≦０．００３であることを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼。
  7. 鉄損Ｐ１５／５０が３．３Ｗ／ＫＧ以下であることを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼の製造方法であって、（１）製錬工程と、（２）加熱温度を８５０℃〜１２５０℃、仕上げ圧延温度を８００〜１０５０℃とする熱間圧延工程と、（３）酸洗工程と、（４）冷間圧延工程と、（５）板温を６２０℃〜９００℃に制御する鈍焼工程と、（６）コーティング工程とを順に含む無方向性電磁鋼の製造方法。
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