JP6319574B2 - 磁気特性に優れる無方向性電磁鋼板 - Google Patents

磁気特性に優れる無方向性電磁鋼板 Download PDF

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Description

本発明は、主としてハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータや発電機用モータ等の鉄心に用いられる、優れた磁気特性を有する高磁束密度無方向性電磁鋼板に関するものである。
近年、省エネルギーに対するニーズへの高まりから、高効率誘導モータが使用されるようになってきている。この高効率誘導モータでは、効率を高めるために、鉄心の積層厚を厚くしたり、巻線の充填率を高くしたり、鉄心に用いる電磁鋼板を、従来の低グレード材から、より鉄損の低い高グレード材に変更することが行われている。
また、上記の誘導モータに用いる鉄心材料には、低鉄損であることに加えて、励磁実効電流を低くして銅損を低減するため、設計磁束密度での励磁実効電流が低いことが要求されている。励磁電流を低減するためにはコア材の磁束密度を高めることが有効である。
また、最近、急速に普及が進んでいるハイブリッド自動車や電気自動車に使用される駆動用モータや発電機用モータは、車両内の限られた空間に設置する必要があり、また、車両重量を軽減するため、小型化が強く望まれている。そこで、上記駆動用モータや発電機用モータは、駆動電源の周波数制御による可変速運転や、商用周波数以上で高速回転を行うことでモータの小型化が図られているが、小型化しても十分な性能を発揮できるよう、高出力化、高トルク化および高周波数での高効率化が要求されている。したがって、このようなモータの鉄心に用いられる電磁鋼板には、磁束密度が高く、鉄損が低いことが強く要求されている。
磁束密度の高めた電磁鋼板としては、例えば、特許文献1には、Siが4mass%以下の鋼に、Coを0.1〜5mass%添加した無方向性電磁鋼板が開示されている。また、特許文献2には、Pの含有量を0.07〜0.20mass%、Siの含有量を0.17〜3.0mass%とし、熱延板焼鈍を冷却速度が遅い箱焼鈍で行い、仕上焼鈍時に集合組織を制御することによって、高磁束密度化を図る技術が提案されている。また、特許文献3には、Alの含有量を0.017mass%以下として高磁束密度化を図る方法が提案されている。また、特許文献4には、上述した以外の元素として、SbやSnを添加し、高磁束密度化する技術が提案されている。
特開2000−129410号公報 特許第3870893号公報 特許第4126479号公報 特許第2500033号公報
しかしながら、特許文献1に開示の技術は、Coは非常に高価な元素であるため、一般のモータに適用すると、著しいコストアップを生じるという問題がある。また、特許文献2に開示の技術は、この方法を実生産に適用した場合、圧延工程などで破断などの操業トラブルが多発し、生産性の低下や歩留り低下を余儀なくされるという問題がある。また、熱延板焼鈍を箱焼鈍とすると、連続焼鈍に比較し、製造コストが増加するという問題もある。また、特許文献3に開示の技術では、室温における1回の冷間圧延では、十分な磁束密度向上効果を安定的に得ることができない。この問題は、中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延や、板温が200℃程度の温間圧延を採用することで、ある程度の改善を図ることができる。しかし、中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延は、製造コストが上昇する、また、温間圧延は、そのための設備対応や、工程管理が必要となり、制約が大きい等の問題がある。また、特許文献4に開示の技術には、熱間圧延後に軽冷延を施す必要があるため、製造コストが上昇するという問題がある。
このような背景から、著しいコストアップを招くことなく、磁束密度が高くかつ鉄損が低い電磁鋼板の開発が望まれている。
本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みて開発されたものであり、その目的は、高磁束密度でかつ低鉄損の無方向性電磁鋼板を安価にかつ安定して提供することにある。
発明者らは、上記の課題を解決するため、素材の成分組成に着目して鋭意検討した。その結果、Alを低減し、かつ、Pを添加した鋼に、さらにTiを適正量添加することによって、高磁束密度かつ低鉄損の無方向性電磁鋼板を安定して得ることが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:0.01mass%以下、Si:1.3〜5.0mass%、Mn:0.001〜3mass%、sol.Al:0.004mass%以下、P:0.03〜0.20mass%、S:0.005mass%以下、N:0.005mass%以下、Ti:0.0020mass%超0.1mass%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とす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、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、Ca:0.001〜0.02mass%およびMg:0.001〜0.02mass%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、板厚が0.1〜0.3mmであることを特徴とする。
本発明によれば、鉄損特性に優れた高磁束密度電磁鋼板を、安価にかつ安定して提供することが可能となるので、高効率誘導モータや、高トルクが要求されるハイブリッド自動車および電機自動車の駆動モータや高い発電効率が要求される高効率発電機の鉄心材料として好適に用いることができる。
Pの含有量が仕上焼鈍後の磁束密度B50に及ぼす影響を示すグラフである。 Tiの含有量が仕上焼鈍後の磁束密度B50に及ぼす影響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、磁束密度に及ぼすPの影響を調査するため、C:0.002mass%、Si:3.1mass%、Mn:0.2mass%、Al:0.001mass%、N:0.002mass%およびS:0.002mass%の成分組成を有するAlレス鋼と、C:0.002mass%、Si:2.7mass%、Mn:0.2mass%、Al:0.30mass%、N:0.002mass%およびS:0.002mass%の成分組成を有するAl添加鋼において、Pの添加量を0.01〜0.16mass%の範囲で種々に変化させた鋼を実験室で溶解し、鋼塊とした後、1100℃の温度に加熱後、熱間圧延し、板厚1.6mmの熱延板とした。次いで、上記熱延板に、980℃×30秒の熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚0.20mmの冷延板とし、その後、1000℃×10秒の仕上焼鈍を施し、冷延焼鈍板とした。
斯くして得た冷延焼鈍板から、長さ方向を圧延方向(L方向)および圧延方向に直角方向(C方向)とする幅30mm×長さ280mmの試験片を、それぞれの方向から採取し、JIS C2550に記載の25cmエプスタイン法で磁束密度B50を測定し、その結果を、Pの含有量との関係として図1に示した。図1から、Al添加鋼では、Pの含有量が増加しても、磁束密度の向上は認められないが、Alレス鋼では、Pの含有量が増加することによって、磁束密度が向上していることがわかる。
上記のように、Alレス鋼でP含有量の増加に伴って磁束密度が向上する理由については、現在、まだ明らかとなっていないが、Alを含まないことによって、AlとPとの間の何らかの相互作用が無くなることでPの結晶粒界への偏析が促進され、そのPの偏析が再結晶に影響を及ぼし、集合組織が改善されるためであると考えられる。
<実験2>
次に、P添加鋼の製造安定性を調査するため、C:0.002mass%、Si:3.1mass%、Mn:0.2mass%、P:0.06mass%、Al:0.001mass%、N:0.002mass%およびS:0.002mass%を含有するAlレス鋼を10チャージ出鋼し、熱間圧延して板厚1.6mmの熱延板とした。次いで、これらの熱延板に、980℃×30秒の熱延板焼鈍を施し、酸洗し、冷間圧延して板厚0.20mmの冷延板とした後、1000℃×10秒の仕上焼鈍を施して冷延焼鈍板とした。
斯くして得た冷延焼鈍板について上記と同様にして磁束密度B50を測定したところ、測定結果が大きくばらつくことが明らかになった。そこで、磁束密度が低い鋼板の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、結晶粒界に微細な窒化物の析出が多数認められた。
この結果から、磁束密度にばらつきが生じた原因は、微細な窒化物にあると考えられた。すなわち、通常のAl添加鋼では、AlNが粗大に析出し、高温でも完全に固溶せず、安定して析出状態を保持している。しかし、Alレス鋼においては、Alが少ないため、微細な窒化物(AlN)が増加し、微細なAlN析出物と地鉄との界面にPが偏析し、粒界に偏析する有効なP量が低減し、磁束密度向上効果が十分に得られなかったことが一因と考えられる。Alレス鋼では、Al含有量が低いため、Al含有量の僅かな変動でもAl含有量の相対的なばらつき量が大きくなり、また、微細なAlN析出物は、焼鈍時に解離して固溶し、焼鈍温度の変動もAlN析出物の状態に影響するため、磁束密度にばらつきが生じたものと考えられる。
<実験3>
そこで、発明者らは、微細な窒化物の粗大化を図るため、Tiの添加効果について調査した。
C:0.001mass%、Si:3.2mass%、Mn:0.2mass%、P:0.06mass%P、Al:0.001mass%、N:0.002mass%およびS:0.001mass%の成分組成を有し、Ti添加量を0.0014〜0.0050mass%の範囲で種々に変化させた鋼を実験室で溶解し、鋼塊とした後、1100℃に加熱後、熱間圧延し、板厚1.6mmの熱延板とした。
次いで、上記熱延板に1020℃×30秒の熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚0.20mmの冷延板とし、その後、1000℃×10秒の仕上焼鈍を施し、冷延焼鈍板とした。
斯くして得た冷延焼鈍板から、上記実験と同様にして幅30mm×長さ280mmの試験片を採取し、エプスタイン法で磁束密度B50を測定し、その結果を、Ti含有量との関係として図2に示した。図2から、Tiの添加量が0.0020mass%を超えると、磁束密度が向上することがわかる。
ここで、上記Ti添加による磁気特性(磁束密度)向上効果について、以下のように考えている。
Al添加鋼では、Nは多量のAlと結合して主にAlNとして粗大に析出し、一方、Tiは主に微細なTiCとして析出する。したがって、Al添加鋼においては、磁気特性の観点からはTi含有量は少ないほど好ましいといえる。
一方、低Al鋼(Alレス鋼)では、TiはTiNとして析出する。この際、Ti含有量が少量では、TiNは微細に析出するものの、所定量以上のTiを添加すると、Al含有量が少ないが故に、窒化物は主にTiNとなって粗大に析出する。その結果、粒界へのAlNの微細な析出が抑制され、Pの粒界への析出が促進された結果、磁束密度が向上したものと考えられる。
本発明は、上記の知見に基くものである。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板における成分組成の限定理由を説明する。
C:0.01mass%以下
Cは、鉄損を劣化させる有害元素であるので少ないほど好ましい。Cが0.01mass%を超えると、鉄損増加が顕著になることから、Cの上限は0.01mass%とする。好ましくは、0.005mass%以下である。なお、下限については、Cは少なければ少ないほど好ましいので、とくに限定しない。
Si:1.3〜5.0mass%
Siは、鋼の脱酸剤として一般的に添加されるが、電磁鋼板においては、電気抵抗を高めて高周波数での鉄損を低減する効果を有するため重要な元素であり、斯かる効果を得るためには1.3mass%以上の添加を必要とする。しかし、5.0mass%を超えると、冷間圧延中に亀裂を生じるようになり、製造性が低下する他、磁束密度も低下するため、その上限は5.0mass%とする。好ましくは1.5〜4.0mass%の範囲である。
Mn:0.001〜3mass%
Mnは、鋼の熱間加工性を改善し、表面疵の発生を防止する働きがある。また、SiやAlほどの効果はないが、電気抵抗を増加して鉄損を低減する効果がある。そこで、Mnは0.001mass%以上を添加する。一方、Mn含有量が多くなると、磁束密度や飽和磁束密度が低下するため、Mn含有量の上限は3mass%とする。好ましくは0.01〜2mass%の範囲である。
Al:0.004mass%以下
Alは、低減すると仕上焼鈍板の集合組織を改善し、磁束密度を高める効果がある。また、P添加による磁束密度向上効果を得るためには、Alの低減は必須である。しかし、Alが0.004mass%を超えると、Pの添加効果が得られなくなる。よって、Pの上限は0.004mass%とする。好ましくは0.003mass%以下である。なお、下限については、Alは少ないほど好ましいので、とくに限定しない。
N:0.005mass%以下
Nは、窒化物を生成し、磁気特性を劣化させるので、0.005mass%以下に制限する。下限については、少ないほど好ましいので、とくに限定しない。
P:0.03〜0.20mass%
Pは、本発明における重要元素の一つであり、図1に示したように、Alレス鋼において、粒界に偏析して磁束密度を高める効果がある。上記効果は0.03mass%以上の添加で得られる。一方、Pが0.20mass%を超えると、冷間圧延することが困難となる。よって、本発明では、Pの添加量を0.03〜0.20mass%の範囲とする。好ましくは0.05〜0.15mass%の範囲である。
S:0.005mass%以下
Sは、析出物や介在物を形成し、製品の磁気特性を劣化させる元素であるので、少ないほど好ましい。そこで、磁気特性を劣化させないためSの上限を0.005mass%とする。なお、下限については、少ないほど好ましいので、とくに限定しない。
Ti:0.0020mass%超0.1mass%以下
Tiは、Nと結合して粗大なTiNを形成し、AlがAlNとなって微細に析出するのを抑制することによって、磁束密度を向上する効果がある。Tiが0.0020mass%以下では上記効果は得られず、一方、0.1mass%を超える添加は、ヘゲと呼ばれる表面欠陥が発生し、製造性や歩留まりの低下を招く。よって、Tiは0.0020mass%超0.1mass%以下の範囲とする。好ましくは0.0020〜0.01mass%の範囲である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記必須とする成分に加えて、Sn,Sb,CaおよびMgのうちから選ばれる1種または2種以上を下記の範囲で含有していてもよい。
Sn:0.001〜0.1mass%
Snは、粒界に偏析する元素であるが、Pの偏析に及ぼす影響は小さく、むしろ、粒内の変形帯の形成を促進し、磁束密度を高める効果を有する。上記効果は、0.001mass%以上の添加で得られる。一方、0.1mass%を超える添加は、鋼が脆化し、製造工程での板破断やヘゲ等の表面欠陥を増加させる。よって、Snを添加する場合は0.001〜0.1mass%の範囲とするのが好ましい。
Sb:0.001〜0.1mass%
Sbは、Snと同様、粒界に偏析する元素であるが、Pの偏析に及ぼす影響は小さく、むしろ、焼鈍時の窒化を抑制することにより磁気特性を高める効果を有する。上記効果は、0.001mass%以上の添加で得られる。一方、0.1mass%を超える添加は、鋼が脆化し、製造工程での板破断やヘゲ等の表面欠陥を増加させる。よって、Sbを添加する場合は0.001〜0.1mass%の範囲とするのが好ましい。
Ca:0.001〜0.02mass%
Caは、硫化物を粗大化し、鉄損を低減する効果を有するため、0.001mass%以上添加することができる。一方、過剰に添加しても、上記効果は飽和し、経済的に不利となるだけであるため上限は0.02mass%とする。
Mg:0.001〜0.02mass%
Mgは、Caと同様、硫化物を粗大化し、鉄損を低減する効果を有するため、0.001mass%以上添加することができる。一方、過剰に添加しても、上記効果は飽和し、経済的に不利となるだけであるため上限は0.02mass%とする。
本発明の無方向性電磁鋼板における上記成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の効果を害しない範囲内であれば、他の成分の添加を拒むものではない。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について述べる。
本発明の無方向性電磁鋼板は、その素材としてAl,PおよびTiの含有量が上記した適正範囲内のスラブを用いる限り、公知の無方向性電磁鋼板の製造方法を用いることができ、特に制限はないが、例えば、以下の方法、すなわち、転炉あるいは電気炉などの精錬プロセスで上記所定の成分組成に調整した鋼を溶製し、脱ガス設備等で二次精錬し、連続鋳造して鋼スラブとした後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍した後、酸洗し、冷間圧延し、仕上焼鈍した後、絶縁被膜を塗布・焼付ける方法を採用することができる。
ここで、上記熱間圧延の鋼板(熱延板)の板厚は、1.4〜2.8mmの範囲とすることが好ましい。1.4mm未満では熱間圧延での圧延トラブルが増加し、一方、2.8mm超えでは、冷延圧下率が高くなり過ぎ、集合組織が劣化するからである。
また、熱延板焼鈍を施す場合には、均熱温度は900〜1200℃の範囲とするのが好ましい。900℃未満であると、熱延板焼鈍の効果が十分に得られず、磁気特性が向上せず、一方、1200℃を超えると、コスト的に不利となる他、スケール起因の表面疵が発生するからである。
また、熱延板から最終板厚とする冷間圧延は、1回または中間焼鈍を挟む2回以上とするのが好ましい。特に、最終の冷間圧延は、板温が200℃程度の温度で圧延する温間圧延とすることは、磁束密度を向上する効果が大きいので、設備上や生産制約上、コスト的に問題がければ、温間圧延とするのが好ましい。
なお、上記冷延板の板厚(最終板厚)は、0.1〜0.3mmの範囲とするのが好ましい。0.1mm未満では、生産性が低下し、一方、0.3mm超えでは鉄損の低減効果が小さいからである。
上記最終板厚とした冷延板に施す仕上焼鈍は、連続焼鈍炉で、900〜1150℃の温度で、5〜60秒間均熱するのが好ましい。均熱温度が900℃未満では、再結晶が十分に進行せず良好な磁気特性が得られないことに加え、連続焼鈍における板形状の矯正効果が十分に得られない。一方、1150℃を超えると、結晶粒が粗大化し、特に高周波数域での鉄損が増加するからである。
なお、本発明において箱焼鈍を採用しない理由は、コスト的に不利だからである。
上記仕上焼鈍後の鋼板は、その後、鉄損を低減するため、鋼板表面に絶縁被膜を被成することが好ましい。上記絶縁被膜は、良好な打抜き性を確保するためには、樹脂を含有する有機被膜であることが望ましく、一方、溶接性を重視する場合には、半有機や無機の被膜を適用することが望ましい。
以上のようにして製造した無方向性電磁鋼板は、歪取焼鈍を施さずに使用するか、あるいは、歪取焼鈍を施してから使用してもよい。また、打抜工程を経て整形した後に、歪取焼鈍を施してもよい。ここで、上記歪取焼鈍は、750℃×2時間程度の条件で施すのが一般的である。
表1に示した各種成分組成からなる鋼を溶製し、連続鋳造して鋼スラブとした後、該スラブを1020〜1120℃の温度に再加熱し、熱間圧延して板厚1.6mmの熱延板とし、均熱温度1000℃、均熱時間30秒の熱延板焼鈍を連続焼鈍で施した後、冷間圧延して板厚0.20mmの冷延板とした。次いで、上記冷延板に、均熱温度1000℃、均熱時間10秒の仕上焼鈍を施した後、絶縁被膜をコーティングし、無方向性電磁鋼板の製品コイルとした。
斯くして得た無方向性電磁鋼板の製品コイルから、長さ方向を圧延方向(L方向)および圧延方向に直角方向(C方向)とする幅30mm×長さ280mmの試験片を、それぞれの方向から採取し、JIS C2550に記載の25cmエプスタイン法で、磁化力5000A/mにおける磁束密度B50(T)および磁束密度1.0T、周波数800Hzで励磁したときの鉄損W10/800(W/kg)を測定した。上記磁気特性の測定結果を表1に併記した。
Figure 0006319574
Figure 0006319574
表1から、鋼成分を本発明に適合するAl,PおよびTiの範囲に制御した本発明例の無方向性電磁鋼板は、上記範囲から外れる比較例の鋼板と比較して、高磁束密度でかつ鉄損特性に優れていることがわかる。

Claims (4)

  1. C:0.01mass%以下、
    Si:1.30〜5.0mass%、
    Mn:0.001〜3mass%、
    sol.Al:0.004mass%以下、
    P:0.05〜0.20mass%、
    S:0.005mass%以下、
    N:0.005mass%以下、
    Ti:0.0031〜0.01mass%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  2. 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:0.001〜0.02mass%およびMg:0.001〜0.02mass%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または2に記載の無方向性電磁鋼板。
  4. 板厚が0.1〜0.3mmであ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。
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