JPH0686647B2 - 磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、Si含有量が1.5〜3.5％のいわゆる高級無方向
性電磁鋼板に関し、特に大型モーターや発電機などの大
型回転機の鉄心に適した低鉄損の無方向性電磁鋼板に関
するものである。

（従来の技術） 無方向性電磁鋼板は、磁気特性の板面内異方性が小さい
という特徴を活かして、モーターなどの回転機の鉄心材
料として用いられている。磁気特性としては、特に鉄損
が重要であり、JIS規格（Ｃ−2552改）では板厚と鉄損
値により種類分けされている。鉄損は鉄を磁化するとき
に発生する熱損失を表し、この値は小さいほど良いこと
はもちろんであるが、経済性と機器のサイズなどから目
的に応じたグレードが選ばれる。一般に機器が大きくな
ると、鉄損による発熱量は体積に比例して増加するのに
対し、放熱量は表面積にしか比例しないので、機器の冷
却が難しくなる。このため大型の機器になるほど鉄損の
低い材料が必要とされるのである。

鉄損は渦電流損とヒステリシス損の２つの要因に支配さ
れる。渦電流損は磁化によって誘起される渦電流による
損失で、板厚と鋼の電気抵抗に依存する。板厚は薄いほ
うが良いが、あまり薄いと鉄心の積層作業に手間が掛か
るなどの問題がでてくるので、JIS規格では0.65、0.5
0、0.35mmの３種のものが規定されている。鋼の電気抵
抗は高いほど良好で、合金元素としては単位添加量あた
りの電気抵抗増加率が大きくしかも安価であることから
Siが多く用いられる。電磁鋼板が別名珪素鋼板と呼ばれ
るのはこのためで、Si含有量が多いほど鉄損の低い高級
電磁鋼板となる。AlやMnなども同様の効果を有している
ことから、高級電磁鋼板ではよく使用される。

一方、ヒステリシス損は磁化の過程において磁壁の移動
を妨げる微細な析出物や結晶粒界が少ないほど小さくな
る。従って、できるだけ高純度の鋼を用いたうえで結晶
粒を成長させることがポイントとなる。成分的には、Ｃ
やＮ、Ｏ（酸素）、Ｓのような微細析出物の原因となる
不純物元素をできるだけ低くする必要がある。また、Ti
やNb、Ｖ、Zrなどは微細な炭窒化物を生成する元素で、
析出物の害に加えて析出物が結晶粒成長を阻害し、ヒス
テリシス損を劣化させるので、これらの元素の混入を厳
重に制限する必要がある。

Alも微細なAlNを生成し、同じような悪影響を与えるの
で、低級電磁鋼板では一般に添加しない。中〜高級電磁
鋼板では電気抵抗を上げるためAlを添加するが、この場
合には通常0.1％以上の多量添加を行い、析出物を粗大
化させることにより、ヒステリシス損への悪影響を避け
ている。即ち、Alに関しては全く添加しないか、或いは
逆に多量に含有させるのがよいというのが一般的な常識
となっている。また、Ｂ（ボロン）も強い窒化物を形成
する元素であるが、BNはAlNよりも結晶粒成長を阻害す
る程度は弱いとされており、Al含有量が0.1％以下の鋼
にＢを含有Ｎ量との量的バランスを一定範囲にして添加
すると良好な磁気特性が得られるという報告がなされて
いる（例えば、特公昭58−1172公報）。しかし、Ｂの添
加効果については、Alと複合して用いるとAl添加量が削
減できるという経済的メリット以外にはあまり顕著な有
効性は見出されておらず、Al含有量が0.1％を超える材
料にＢを添加しても、コスト上昇を招くだけでＢの効果
が十分に得られないとされている。

また、結晶粒度の調整も鉄損低減の重要なポイントで、
ヒステリシス損は結晶粒が大きくなるほど低くなること
が知られている。粒成長のためにはできるだけ高温焼鈍
することが望ましく、Siを多く含む電磁鋼板はα／γ変
態がないので原理的には焼鈍温度の制限はない。しかし
ながら、SiやMn或いはAlを多く含む鋼板は、高温で焼鈍
すると鋼板表面で内部酸化や窒化が起こり、磁気特性が
逆に劣化する場合が多い。高級電磁鋼板では磁気特性の
改善を図るため、高温の熱延板焼鈍や２回冷延法で高温
の中間焼鈍を行うことも多く、窒化や内部酸化の危険性
は低級品よりはるかに大きい。高温での窒化防止にはSb
やSnなどが効果的とされている。例えば特公昭56−5437
0公報にはSbを含む電磁鋼板が、特公昭58−3027公報に
はSnを含む電磁鋼板がそれぞれ開示されている。一方、
内部酸化の防止法としては、焼鈍雰囲気の露点調整が最
も一般的で、特殊な物質を鋼板表面に塗布する方法など
も提案されているが、必ずしも万全とは言いにくい。

高級無方向性電磁鋼板の低鉄損化のため、従来から組成
や製造条件等に関する数多くの改善がされてきたが、必
ずしも十分とは言えない。鉄損の支配要因は複雑に絡み
合っており、ある一面から見ると効果的な方法であって
も現実には逆の結果を招く場合も多い。前述の高温焼鈍
などはよい例であり、窒化や内部酸化を防止しない限り
その効果は発揮されない。窒化や内部酸化を防止しつつ
適正な結晶粒度に調整しようとすると、鋼の組成や焼鈍
条件など数多くの因子を厳密にコントロールする必要が
あり、工業的に低鉄損の高級品を安定して製造すること
は極めて困難である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記の実情に鑑み、製造方法を従来のように狭
い条件に精密に限定しなくても、工業的に且つ容易な方
法で製造することができる鉄損の低い高級無方向性電磁
鋼板を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは、電磁鋼板を高温焼鈍したときの結晶粒成
長性並びに窒化と内部酸化挙動に及ぼす各種合金元素の
影響について詳細な検討を行った。その結果、比較的多
量のAlを含む鋼をベースに微量のＢを添加し、さらにSb
またはSnの１種以上を添加することにより、高温焼鈍時
の窒化と内部酸化が効果的に防止できると同時に良好な
結晶粒成長性が得られることを見出した。

本発明の要旨は下記の無方向性電磁鋼板にある。

重量％で、 C:0.005％以下、Si:1.5〜3.5％、 Mn:0.1％〜1.5％、S:0.005％以下、 Al:0.15〜1.5％、N:0.005％以下 B:0.0005％〜0.0050％、 さらにSbおよびSnの１種または２種を合計で0.01〜0.20
％含み、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴
とする磁気特性の優れた無方向性電磁鋼板。

従来、ＢはBNを通じて磁気特性を改善する効果があると
考えられており、さらにAlNに比べて粒成長性に対する
悪影響が比較的少ないので、コストが安いが粒成長性の
悪い低Al鋼では、Ｂを添加して磁気特性を改善しようと
する試みがなされている。また、SbやSnはＮと反発する
元素であり、高温焼鈍時の窒化防止に効果があるとされ
ているが、これらの元素は結晶粒界に偏析し逆に内部酸
化を助長する場合がある。

本発明者らはSiやAl含有量の多い高級電磁鋼板を対象
に、Ｂ、SbおよびSnが粒成長性と内部酸化に及ぼす影響
を詳細に検討した。その結果、Al含有量が0.15％以上の
高Al鋼にＢを添加すると高温焼鈍での内部酸化が防止さ
れるとともに粒成長が一段と促進され、しかもSbやSnの
悪影響が現れないことを見出したのである。この場合、
ベースのAl含有量が高いので、大部分のＮはAlで固定さ
れ、Ｂは固溶状態で存在する確立が高い。固溶したＢは
SbおよびSnより優先的に結晶粒界に偏析しやすく、Sbお
よびSnの悪影響を抑えるとともに高温焼鈍時の内部酸化
を防ぐものと考えられる。また、製造工程の加熱、冷却
過程で一部生成したBNが核となってAlNが成長するた
め、一段と粒成長が促進されるものと考えられる。

（作用） 以下、本発明の電磁鋼板における合金元素の作用効果を
含有量の限定理由とともに説明する。

Ｃ Ｃは炭化物を生成して、あらゆる磁気特性を劣化させる
元素であり、できるだけ低くすることが望ましい。特に
磁気時効を防止するため、0.005％以下とする必要があ
り、さらには0.003％以下とすることが望ましい。

Si Siは高級無方向性電磁鋼板として必要な鉄損を得るため
1.5％以上の含有量とする。Siが1.5％未満では渦電流損
が大きく鉄損が目標どおりに低くならない。一方、Siが
3.5％超えて含有されると冷間圧延性が著しく劣化する
ので、これ以下とする。

Mn MnはＳによる熱間脆性を防ぐため0.1％以上の量を含有
させる。また、Mnは電気抵抗を増して渦電流損を小さく
するのにも有効である。しかし、Mn含有量が1.5％を超
えると鋼が脆化し結晶粒の成長性も悪化するので、これ
以下とする。

Ｓ Ｓは硫化物系の析出物を生じ、ヒステリシス損を増大さ
せるので0.005％以下、好ましくは0.002％以下に抑える
のがよい。

Ｎ Ｎは窒化物を生成して磁気特性を損なうので、0.005％
以下、望ましくは0.002％以下とする。

Al 高級無方向性電磁鋼板では、一般に電気抵抗の増加とAl
Nの粗大化の目的で0.15％以上含有させることが多い
が、本発明でもこれらの効果に加えてＮを完全に固定
し、Ｂの作用効果を十分に発揮させるため0.15％以上の
量を含有させる。Al含有量が0.15％未満では、ＢはBNと
なる確立が高くなり、高温焼鈍時の内部酸化防止に有効
な固液Ｂが不足する。一方、1.5％を超えて含有させて
も効果が飽和し、価格の上昇を招くだけなので、これ以
下とする。

Ｂ 本発明鋼板ではＢはＮと結合することなく、その大部分
は固溶状態で存在する。固溶したＢは結晶粒界に偏析
し、高温焼鈍時の内部酸化を防止する。Ｂの含有量が0.
0005％未満では固溶Ｂの量が不十分で内部酸化防止の効
果が小さい。一方、Ｂを0.0050％を超えて含有させても
前記効果が飽和し、価格の上昇を招くだけなので、これ
以下とする。

Sb、Sn: SbおよびSnは鋼板の表面に偏析して高温焼鈍時の窒化を
防ぐ作用がある。これらの元素はＮと反発し合うので鋼
板表面に窒素分子が吸着するのを妨げる結果、窒化が防
止されるものと考えられる。SbおよびSnの含有量が１種
又は２種合計で0.01％より少ないと、前記効果が得られ
ない。一方、１種又は２種合計で0.20％を超えて含有さ
せても効果が飽和するので、これ以下とする。

なお、SbおよびSnは結晶粒界にも偏析しやすく、普通は
内部酸化を助長することが多いが、本発明の電磁鋼板で
は前記したようにＢが先に結晶粒界に偏析するため、内
部酸化に対するSbやSnの悪影響は少ない。

上記のとおりの組成を有する本発明の電磁鋼板は、下記
のような方法で製造することができる。

熱間圧延工程におけるスラブ加熱温度は1100〜1250℃の
範囲とするのがよい。MnSの微細析出による磁気特性劣
化を防ぐには低温加熱の方がよいが、余り低温では熱延
仕上温度の確保が困難となって、コイル内での磁気特性
のバラツキが増したり、表面疵が発生しやすくなるの
で、1150〜1200℃程度が好適である。熱間圧延は仕上温
度を高くとるほうが磁気特性は良くなるので、800℃以
上で圧延を終了するのがよい。巻取りも高温の方がよい
が、酸洗性との兼ね合いで600℃前後が適当な巻取り温
度になる。

熱間圧延の後、熱延の加工組織を再結晶させるために熱
延板焼鈍を行う。普通は800℃以上で行われる。この熱
延板焼鈍は高温で行う方が結晶粒が大きくなり、ヒステ
リシス損低減に有利であるが、従来の電磁鋼板は窒化や
内部酸化のために、箱焼鈍の場合は上限は850℃に抑え
られている。これに対して、本発明の電磁鋼板は窒化お
よび内部酸化が生じにくいので高い温度で焼鈍すること
ができる。しかし、あまり高い温度になると結晶粒が粗
大化し、次の冷間圧延の際に割れが発生しやすくなるか
ら1100℃以下に抑える方がよい。

冷間圧延は１回圧延法により60〜90％の圧下率で最終板
厚にする。鉄損を小さくすることを重視する場合は、中
間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を行ってもよい。最終
焼鈍は850℃〜1100℃の温度で行うのがよい。

（実施例） 第１表に示す組成の鋼を実験質で溶解し、下記の製造工
程で0.5mm厚さの薄板とした。なお、この実施例では製
造条件によるヒステリシス損の変化を明確にするため、
電気抵抗値のレベルを合わせて渦電流損がほぼ同一とな
るように成分調整した。

〔製造工程〕 熱間圧延 加熱温度 :1150℃ 圧延仕上げ温度:850℃ 仕上げ板厚 :2.3mm 巻取り温度 :550℃ 酸洗後の熱延板焼鈍 第２表に示すとおり 冷間圧延 圧下率 :78％ 仕上げ板厚:0.5mm 冷間圧延後の最終焼鈍 第２表に示すとおり 最終焼鈍後の鋼板から、Ｌ方向（圧延方向）とＴ方向
（圧延方向に直角）の試験片を切り出し、鉄損を測定し
た。第３表にＬ方向とＴ方向における鉄損値の平均値を
示す。

本発明鋼（１〜５）はいずれの焼鈍条件でも良好な鉄損
値を示し、熱延板焼鈍および最終焼鈍を高温で行うほど
特性が向上している。これに対し、比較鋼（６〜９）は
高温焼鈍を行っても特性の改善は見られず、逆に特性が
劣化する場合もあり、窒化や内部酸化の影響が大きいこ
とが明らかである。

（発明の効果） 本発明の無方向性電磁鋼板は、高温で焼鈍しても窒化や
内部酸化が生じないので、磁気特性に優れたものを工業
的に安定して製造することができる。

本発明の電磁鋼板を鉄心に使用することにより、大型モ
ーターや発電機などの性能を向上させることができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、 C:0.005％以下、Si:1.5〜3.5％、 Mn:0.1％〜1.5％、S:0.005％以下、 Al:0.15〜1.5％、N:0.005％以下 B:0.0005％〜0.0050％、 さらにSbおよびSnの１種または２種を合計で0.01〜0.20
   ％含み、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴
   とする磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板。