JP5824965B2 - 無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機など、高速回転域で使用される頻度の高い高効率モータの鉄心に使用することが好適な無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。

地球温暖化ガスを削減するため、自動車や家電製品等の分野では消費エネルギーの少ない製品の普及が急速に進んでいる。例えば、自動車分野においては、ガソリンエンジンとモータとを組み合わせた駆動系を持つハイブリッド自動車、モータ駆動の電気自動車等の低燃費自動車がある。また、家電製品分野においては、年間電気消費量の少ない高効率エアコン、冷蔵庫等がある。これらに共通する技術はモータであり、モータの高効率化が重要な技術となっており、モータの高効率化のために、鉄心材料である無方向性電磁鋼板の鉄損低減と磁束密度向上が要求されている。上記のような自動車の駆動モータや家電製品のコンプレッサーモータなどは高速回転域で使用される頻度が高いため、鉄心材料としては高周波条件下での鉄損が低い無方向性電磁鋼板が好適である。

高周波鉄損低減の手段としては、板厚を低減する手段やＳｉやＡｌなどの比抵抗を増加させる効果を有する合金元素の含有量を増加させる手段が一般的である。しかしながら、板厚低減に伴って製造が困難となるため、板厚の低減による鉄損低減には限界がある。また、合金元素量の増加によって磁束密度が低下してモータトルクが低下するため、モータを大型化する必要が生じるという問題がある。

また、磁束密度を向上させる手段としては、Ｐを積極的に添加する手段が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された発明は、磁束密度を向上させることにより、さらなる合金元素量の増加による高周波鉄損低減を可能にするので、主に高速回転域で使用される頻度の高いモータの高効率化に寄与する非常に優れた発明である。

特開２００５−２００７５６号公報

近年のさらなるモータの高効率化の要求により、より一層の高周波鉄損低減を可能にする磁束密度の向上手段が求められている。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題はエアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機など、主に高速回転域で使用される高効率モータ鉄心に使用することが好適な、高周波鉄損が低く、磁束密度が高い無方向性電磁鋼板を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、磁束密度に及ぼすＰの影響のみならず、磁束密度に及ぼすＰと他の元素との相互作用の影響について新たに着目し、これらの相互作用を利用することによりさらなる磁束密度の向上を図ることを新たに着想し、さらに、これを実現するための製造条件を確立すべく、鋭意検討を行った。その結果、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制すること、さらには、適切な熱間圧延条件と冷間圧延条件とを組み合わせることにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることを新たに知見した。本発明はこれらの新たな知見に基づくものであり、その要旨は以下のとおりである。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｓｉ：１．８％以上３．０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上３．０％以下、Ｐ：０．０３％以上０．１０％以下、Ｓ：０．００１０％以上０．００５０％以下、Ｃ：０．００５０％以下、Ａｓ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｖ：０．００３０％以下、Ｚｒ：０．００３０％以下およびＮ：０．００５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるとともに、下記式（１）を満足する化学組成を有し、平均結晶粒径が６０μｍ以上１８０μｍ以下である鋼組織を有し、周波数８００Ｈｚ、磁束密度１．０Ｔで磁化した際の鉄損Ｗ_10/800が５０Ｗ／ｋｇ以下である磁気特性を有し、板厚が０．１０ｍｍ以上０．３３ｍｍ以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板を提供する。
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８ （１）
（ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。）

また本発明は、下記工程（Ａ）〜（Ｄ）を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法を提供する。
（Ａ）上述の化学組成を有するスラブに、仕上温度：７００℃以上および巻取温度：３００℃以上の熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程；
（Ｂ）上記熱延圧延工程により得られた熱延鋼板に酸洗および熱延板焼鈍を施して熱延焼鈍板とする酸洗・熱延板焼鈍工程；
（Ｃ）上記酸洗・熱延板焼鈍工程により得られた熱延焼鈍板に圧下率８５％以上の冷間圧延を施して板厚０．１０ｍｍ以上０．３３ｍｍ以下の冷延鋼板とする冷間圧延工程；および
（Ｄ）上記冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程

本発明に係る無方向性電磁鋼板により、モータ効率の向上が期待できる。また、本発明に係る無方向性電磁鋼板の製造方法は特殊な設備を要しないため、製造コスト面でも優れている。

以下、本発明の無方向性電磁鋼板およびその製造方法について詳細に説明する。

Ａ．無方向性電磁鋼板
まず、本発明の無方向性電磁鋼板における各構成について説明する。
１．化学組成
はじめに、鋼板の化学組成の限定理由について説明する。なお、各元素の含有量を示す「％」は、特に断りのない限り「質量％」を意味するものである。

Ｓｉは、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な元素である。したがって、Ｓｉ含有量は１．８％以上とする。好ましくは、２．０％以上である。一方、過剰に含有させると鋼板が硬化し、冷間圧延での破断率が増加する。このため、Ｓｉ含有量は３．０％以下とする。

ｓｏｌ．Ａｌは、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な元素である。したがって、ｓｏｌ．Ａｌは０．１％以上とする。好ましくは、０．６％以上である。一方、過剰に含有させると磁束密度が著しく低下する。このため、ｓｏｌ．Ａｌは３．０％以下とする。

Ｍｎは、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な元素である。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５％以上とする。好ましくは、０．４％以上である。一方、ＭｎはＳｉやＡｌに比べて合金コストが高いため、Ｍｎ含有量が高くなると経済的に不利となる。このため、Ｍｎ含有量は３．０％以下とする。

Ｐは、集合組織を改善して磁気特性を向上させる作用を有する。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以上とする。好ましくは、０．０４％以上である。一方、Ｐ含有量が過剰になると、Ｐの粒界偏析が顕著となり冷間圧延での破断率が増加する。したがって、Ｐ含有量は０．１０％以下とする。好ましくは、０．０８％以下である。

Ｓは、一般に不純物として鋼中に含有される元素であり、鋼中のＭｎと結合して微細なＭｎＳを形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害して磁気特性を劣化させることから、従来はその含有量を低減することが求められてきた元素である。しかしながら、上述した本発明者らの検討によって、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制することにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることが初めて明らかとなった。したがって、Ｓ含有量は０．００１０％以上とする。一方、Ｓ含有量が過剰になると、焼鈍時の結晶粒成長の阻害により磁気特性の劣化が顕著となる。したがって、Ｓ含有量は０．００５０％以下とする。好ましくは、０．００３５％以下である。

Ｃは、不純物として含有され、磁気特性を劣化させる元素である。このため、Ｃ含有量は０．００５０％以下とする。好ましくは、０．００３５％以下である。

Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒは、不純物として含有され、磁気特性を劣化させる元素である。したがって、Ａｓ含有量は０．００５０％以下、Ｎｂ含有量は０．００３０％以下、Ｔｉ含有量は０．００３０％以下、Ｖ含有量は０．００３０％以下、Ｚｒ含有量は０．００３０％以下とする。好ましくは、Ａｓ含有量は０．００３５％以下、Ｎｂ含有量は０．００２０％以下、Ｔｉ含有量は０．００２０％以下、Ｖ含有量は０．００２０％以下、Ｚｒ含有量は０．００２０％以下である。

Ｎは、不純物として含有され、Ａｌなどと結合して微細な介在物を形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害して磁気特性を劣化させる。このため、Ｎ含有量を０．００５０％以下とする。好ましくは、０．００３５％以下である。

不純物元素であるＳ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの含有量を低減することで、鉄損が低減されることは従来から知られていた。しかしながら、上述した本発明者らの検討によって、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制することにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることが初めて明らかとなった。したがって、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量は下記式（１）を満足するものとする。中でも、下記式（２）を満足することが好ましく、下記式（３）を満足することがさらに好ましい。
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８ （１）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１６ （２）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１４ （３）
ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。

２．平均結晶粒径
結晶粒径は、大き過ぎても小さ過ぎても鉄損が劣化する。したがって、平均結晶粒径は６０μｍ以上１８０μｍ以下とする。
なお、平均結晶粒径は、縦断面組織写真において、板厚方向および圧延方向について切断法により測定した結晶粒径の平均値を用いればよい。この縦断面組織写真としては光学顕微鏡写真を用いることができ、例えば５０倍の倍率で撮影した写真を用いればよい。

３．鉄損
高速回転域で使用される頻度が高いモータの鉄心材料としては、高周波鉄損が低い無方向性電磁鋼板が好適である。したがって、周波数８００Ｈｚ、磁束密度１．０Ｔで磁化した際の鉄損Ｗ_10/800を５０Ｗ／ｋｇ以下とする。好ましくは、４６Ｗ／ｋｇ以下である。

４．板厚
エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機はインバータ制御により、幅広い回転速度領域で使用されるが、鉄損がきわめて大きくなる高速回転域の使用頻度が高いため、鉄心材料である無方向性電磁鋼板は高周波域での鉄損が低いものが望ましい。鉄損は、板厚が薄いほど低減されるため、板厚は０．３３ｍｍ以下とする。好ましくは０．３０ｍｍ以下である。一方、過度の薄肉化は鋼板やモータの生産性を著しく低下させる。したがって、板厚は０．１０ｍｍ以上とする。好ましくは０．１５ｍｍ以上である。

Ｂ．無方向性電磁鋼板の製造方法
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、下記工程（Ａ）〜（Ｄ）を有することを特徴とする。
（Ａ）上述の化学組成を有するスラブに、仕上温度：７００℃以上および巻取温度：３００℃以上の熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程；
（Ｂ）上記熱延圧延工程により得られた熱延鋼板に酸洗および熱延板焼鈍を施して熱延焼鈍板とする酸洗・熱延板焼鈍工程；
（Ｃ）上記酸洗・熱延板焼鈍工程により得られた熱延焼鈍板に圧下率８５％以上の冷間圧延を施して板厚０．１０ｍｍ以上０．３３ｍｍ以下の冷延鋼板とする冷間圧延工程；および
（Ｄ）上記冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程
以下、本発明に係る無方向性電磁鋼板の製造方法における各工程について説明する。

１．熱間圧延工程
熱間圧延工程における仕上温度は７００℃以上、巻取温度は３００℃以上とする。仕上温度が７００℃未満であったり、巻取温度が３００℃未満であったりすると、所望のＰ添加によるＢ₅₀の向上効果を得ることができない場合がある。仕上温度および巻取温度の上限は、磁気特性の観点からは特に規定する必要はないが、スケールロスによる歩留り低下を抑制する観点から、仕上温度は１０００℃以下とすることが好ましく、巻取温度は８００℃以下とすることが好ましい。
熱間圧延工程における他の条件は特に規定されるものではない。

２．酸洗・熱延板焼鈍工程
酸洗・熱延板焼鈍工程における諸条件は特に規定されるものではないが、再結晶を促進して優れた磁気特性を確保する観点から、焼鈍温度は７３０℃以上とすることが好ましく、焼鈍時間は１時間以上とすることが好ましい。焼鈍時間は３時間以上とすることがさらに好ましい。一方、設備への負荷や製造コストの観点から、焼鈍温度は８５０℃以下とすることが好ましく、焼鈍時間は５０時間以下とすることが好ましい。焼鈍温度は８１０℃以下とすることがさらに好ましく、７９０℃以下とすることが特に好ましい。焼鈍時間は４０時間以下とすることがさらに好ましい。
酸洗および熱延板焼鈍は順不同であり、酸洗後に熱延板焼鈍を施してもよく、熱延板焼鈍後に酸洗を施してもよい。

３．冷間圧延工程
冷間圧延工程における圧下率は８５％以上とする。圧下率が８５％未満であると、所望のＰ添加によるＢ₅₀の向上効果を得ることができない場合がある。
冷間圧延工程における他の条件は特に規定されるものではない。

４．仕上焼鈍工程
仕上焼鈍工程における諸条件は特に規定されるものではないが、十分な粒成長を促して優れた磁気特性を確保する観点から、焼鈍温度は９００℃以上とすることが好ましく、焼鈍時間は１秒間以上とすることが好ましい。一方、設備への負荷や製造コストの観点から、焼鈍温度は１１８０℃以下とすることが好ましく、焼鈍時間は３００秒間以下とすることが好ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例および比較例を例示して、本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
下記表１に示す化学組成を有するスラブに、仕上温度８００℃、巻取温度５００℃の熱間圧延を施して板厚２．０ｍｍの熱延鋼板とし、酸洗を施した。これらの酸洗鋼板に７９０℃で１０〜２０時間保持する熱延板焼鈍を施して、平均結晶粒径を１００μｍに揃えた。これらの熱延焼鈍板に、圧下率８７．５％の冷間圧延を施して仕上板厚０．２５ｍｍの冷延鋼板とした。このとき、一部は冷間圧延にて破断した。破断が生じなかった冷延鋼板に１１００℃で１０秒間保持する仕上焼鈍を施して、平均結晶粒径９７〜１３４μｍの無方向性電磁鋼板を得た。

これらの無方向性電磁鋼板について、周波数８００Ｈｚ、磁束密度１．０Ｔで磁化した際の鉄損Ｗ_10/800および磁化力５０００Ａ／ｍで磁化した際の磁束密度Ｂ₅₀を測定した。ここで、鋼板Ｎｏ．１はＰがほとんど添加されていない基準材であり、この基準材のＢ₅₀と鋼板Ｎｏ．２〜１２のＢ₅₀との差ΔＢ₅₀を算出して、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果の大きさを評価した。このΔＢ₅₀が大きくなるほどＰ添加によるＢ₅₀の向上効果が大きいことを意味している。また、Ｐ含有量が多いほどΔＢ₅₀は大きくなるため、その点を考慮して、下記式（４）よりＸを算出し、Ｘが０以上であることを目標特性とした。
Ｘ＝ΔＢ₅₀−０．４×（Ｐ−０．０１） （４）
（ここで、式中のＰは鋼中のＰ含有量（単位：質量％）を示す。）
平均結晶粒径と磁気測定の結果を併せて表１に示す。

鋼板Ｎｏ．３、４、１０および１１は、Ｓを微量に含有させることと、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量を所定の範囲内とすることにより、冷間圧延前の結晶粒径が同等でも、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果を高めることができた。
鋼板Ｎｏ．２はＳ含有量が低かったため、鋼板Ｎｏ．５はＳ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量が高いため、鋼板Ｎｏ．６はＴｉおよびＮの含有量が高かったため、鋼板Ｎｏ．７はＮｂおよびＶ含有量が高かったため、鋼板Ｎｏ．８はＺｒおよびＮ含有量が高かったため、鋼板Ｎｏ．９はＡｓおよびＴｉ含有量が高かったために、Ｘ＜０となり、所望のＰ添加によるＢ₅₀の向上効果を得られなかった。また、鋼板Ｎｏ．１２はＰ含有量が多かったために、冷間圧延にて破断した。

［実施例２］
下記表２に示す化学組成を有するスラブに、仕上温度７５０〜９００℃、巻取温度５００〜６００℃とした熱間圧延を施して板厚１．６〜２．５ｍｍの熱延鋼板とし、酸洗を施した。これらの酸洗鋼板に７５０〜７９０℃で５〜１５時間保持する熱延板焼鈍を施した。これらの焼鈍板に冷間圧延を施して仕上板厚０．２０〜０．３０ｍｍの冷延鋼板とした。これらの冷延鋼板に９５０〜１１３０℃で２０〜９０秒間保持する仕上焼鈍を施して、平均結晶粒径７５〜１５６μｍの無方向性電磁鋼板を得た。

これらの無方向性電磁鋼板について、鉄損Ｗ_10/800と磁束密度Ｂ₅₀を測定した。ここで、鋼板Ｎｏ．１３′は、鋼板Ｎｏ．１３と同じ製造条件で製造されたものであり、Ｐがほとんど添加されておらず、鋼板Ｎｏ．１３とはＰ含有量のみが異なり、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果の大きさを測定するための基準材に相当する。同様に、鋼板Ｎｏ．１４′、１５′、１６′、１７′はそれぞれ鋼板Ｎｏ．１４、１５、１６、１７の基準材に相当する。各基準材のＢ₅₀と鋼板Ｎｏ．１３〜１７のＢ₅₀との差ΔＢ₅₀を算出した。また、上記式（４）よりＸを算出し、Ｘが０以上であることを目標特性とした。
表３に、製造条件、平均結晶粒径、および磁気測定の結果を示す。

Ｓｉ、ｓｏｌ．ＡｌおよびＭｎの含有量、Ｓ等の不純物元素の含有量、板厚、製造条件が所定の範囲内であれば、所望のＷ_10/800およびＰ添加によるＢ₅₀向上効果を得ることができた。

［実施例３］
下記表４に示す化学組成のスラブを、仕上温度６５０〜９００℃、巻取温度２５０〜６００℃とした熱間圧延にて１．８〜２．４ｍｍの熱延鋼板とした。これらの熱延鋼板を酸洗後、圧下率８４．２〜８６．４％の冷間圧延を施して仕上板厚０．２５〜０．３５ｍｍの冷延鋼板とした。これらの冷延鋼板に１１００℃で５秒間保持する仕上焼鈍を施して平均結晶粒径９９〜１２１μｍの無方向性電磁鋼板を得た。

これらの無方向性電磁鋼板について、鉄損Ｗ_10/800と磁束密度Ｂ₅₀を測定した。ここで、組成Ａは、Ｐがほとんど添加されておらず、組成ＢとはＰ含有量のみが異なり、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果の大きさを測定するための基準材に相当する。組成Ａを用いて、組成Ｂを用いた鋼板Ｎｏ．１８〜２３とそれぞれ同じ製造条件で製造し、基準材とした。各基準材のＢ₅₀と鋼板Ｎｏ．１８〜２３のＢ₅₀との差ΔＢ₅₀を算出した。また、上記式（４）よりＸを算出し、Ｘが０以上であることを目標特性とした。
表５に、製造条件、平均結晶粒径、および磁気測定の結果を示す。

鋼板Ｎｏ．１８は熱間圧延での仕上温度が低かったため、鋼板Ｎｏ．１９は熱間圧延での巻取温度が低かったため、鋼板Ｎｏ．２０は冷間圧延での圧下率が低かったため、所望のＰ添加によるＢ₅₀の向上効果を得ることができなかった。鋼板Ｎｏ．２１は板厚が厚かったために所望の鉄損を得ることができなかった。

Claims (1)

1. 下記工程（Ａ）〜（Ｄ）を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法：
   （Ａ）質量％で、Ｓｉ：１．８％以上３．０％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上３．０％以下、Ｐ：０．０３％以上０．１０％以下、Ｓ：０．００１０％以上０．００５０％以下、Ｃ：０．００５０％以下、Ａｓ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｖ：０．００３０％以下、Ｚｒ：０．００３０％以下およびＮ：０．００５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるとともに、下記式（１）を満足する化学組成を有するスラブに、仕上温度：７００℃以上および巻取温度：３００℃以上の熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程；
   （Ｂ）前記熱延圧延工程により得られた熱延鋼板に酸洗ならびに焼鈍温度：７３０℃以上および焼鈍時間：１時間以上の熱延板焼鈍を施して熱延焼鈍板とする酸洗・熱延板焼鈍工程；
   （Ｃ）前記酸洗・熱延板焼鈍工程により得られた熱延焼鈍板に圧下率８５％以上の冷間圧延を施して板厚０．１０ｍｍ以上０．３３ｍｍ以下の冷延鋼板とする冷間圧延工程；および
   （Ｄ）前記冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に焼鈍温度：９００℃以上および焼鈍時間：１秒間以上の仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程。
   Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８ （１）
   （ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。）