JP2009068055A

JP2009068055A - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP2009068055A
Application number: JP2007236118A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Okubo; 智幸大久保; Tomofumi Shigekuni; 智文重國; Masaaki Kono; 雅昭河野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】靭性に優れたクロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.005%以下、Si:1.0〜4.0%、Al:2.0%以下、Mn:0.1〜1.0%、P:0.03%以下、B:0.0003〜0.01%、Sn:0.1%以下、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、下記の式(1)を満足することを特徴とするCr量が1質量%以下の絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板；[Sn]≧-0.02×log₁₀[B]-0.04・・・(1)、ただし、[Sn]、[B]は鋼板中のSn、Bの含有量を表す。
【選択図】図1

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板、特に、クロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板に関する。

モータや変圧器の積鉄心として使用される無方向性電磁鋼板には、渦電流損失を低減させて電流効率を高めるためや、積層された鋼板間に電流が流れてジュール熱が発生することによるモータ効率の低下を防ぐために、その表面に絶縁被膜が形成されている。

この絶縁被膜には、本来の目的である高い絶縁性に加えて、鋼板との密着性、溶接性、耐食性、打ち抜き性や、加工歪を除去して磁気特性の向上を図るために行われる歪取焼鈍時において鋼板同士の融着(スティッキング)が起こりにくい性質などが要求されている。

こうした特性を有する絶縁被膜としては、これまで、クロム酸塩を主体とする無機有機系被膜が広く使用されている。例えば、特許文献1には、少なくとも1種の2価金属を含む重クロム酸塩系水溶液に酢酸ビニル/ベオバの樹脂エマルジョンおよび有機還元剤を配合した処理液を塗布して形成した絶縁被膜が、また、特許文献2には、クロム酸とAl、Mgなどの酸化物と粒子径が0.2〜0.5μmの有機樹脂エマルジョンおよび粒子径が1〜50μmの有機樹脂エマルジョンとからなる処理液を塗布して形成した絶縁被膜が開示されている。

しかし、特許文献1や2に記載の絶縁被膜形成のための処理液には6価クロムが含まれており、環境負荷の観点から、クロムを含有しない、すなわちクロムフリーの絶縁被膜が望まれている。そこで、例えば、特許文献3には、リン化合物を含む第1層とケイ酸塩および粒子径が0.3〜2.5μmの有機樹脂エマルジョンを含む第2層とからなるクロムフリーの絶縁被膜が形成された電磁鋼板が提案されている。
特公昭60‐36476号公報特開平3‐240970号公報特開2004‐68031号公報

しかしながら、本発明者等が、特許文献3に記載のクロムフリーの絶縁被膜が形成された電磁鋼板を用いて、モータの鉄心を試作し、歪取焼鈍(750℃、2時間、乾燥N₂雰囲気)を行ったところ、鋼板が脆化して割れやすくなるという現象が確認された。なお、クロムを含有した従来の絶縁被膜を用いた場合には、このような問題は生じなかった。

本発明は、歪取焼鈍により脆化することのない、すなわち靭性に優れたクロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。なお、本発明では、クロムフリーの絶縁被膜とは、便宜上、被膜中のCr量が1質量%以下の絶縁被膜と定義する。

本発明者等は、歪取焼鈍により脆化することのないクロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板について鋭意検討したところ、SnとBを添加し、その量を適正化することにより歪取焼鈍による脆化を防止できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、質量%で、C:0.005%以下、Si:1.0〜4.0%、Al:2.0%以下、Mn:0.1〜1.0%、P:0.03%以下、B:0.0003〜0.01%、Sn:0.1%以下、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、下記の式(1)を満足することを特徴とするCr量が1質量%以下の絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板を提供する。
[Sn]≧-0.02×log₁₀[B]-0.04 ・・・(1)
ただし、[Sn]、[B]は鋼板中のSn、Bの含有量を表す。

本発明の無方向性電磁鋼板では、質量%で、Al:0.3%以上であることが好ましい。

本発明により、歪取焼鈍により脆化することのない、すなわち靭性に優れたクロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板を製造できるようになった。そのため、環境負荷の低減や、高速回転の際に鋼板が割れて飛散するような危惧もなくモータ効率の向上を図れるようになった。

以下、成分含有量の単位を表す「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味する。

本発明者等は、クロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板の歪取焼鈍による脆化の原因について以下のような詳細な調査を行った。まず、C:0.0027%、Si:3.2%、Al:0.42%、Mn:0.21%、P:0.02%、残部Feおよび不可避的不純物を含む鋼を真空溶製してスラブを作製し、1100℃で30分間スラブを加熱処理後熱間圧延を行い、板厚1.7mmの熱延板とした。得られた熱延板に1000℃で1分間の熱延板熱処理を施した後、酸洗・冷間圧延を行って0.35mmの冷延板とし、1000℃で30秒間の仕上焼鈍を行った。そして、焼鈍後の鋼板に、表１に示す組成のNo.1〜4の処理液を塗布後、焼付けを行って、絶縁被膜を形成した。絶縁被膜の目付量は全て1.0g/m²とした。得られた鋼板に対し、幾つかの歪取焼鈍炉を用い、N₂雰囲気中で750℃で2時間の歪取焼鈍を行ったところ、このうち１つの焼鈍炉ではクロムフリーの絶縁被膜(No.2〜4)を形成した鋼板に脆化割れが発生することが分かった。

脆化割れした鋼板の断面をSEMで観察したところ、表面に厚さ1μm程度の内部酸化層が形成されていることが判明した。そこで、脆化割れが発生した歪取焼鈍炉の雰囲気を分析したところ、均熱開始の時点で雰囲気中に約1%のO₂が含まれていることが判明した。これに対し、脆化割れが発生しない焼鈍炉の雰囲気中のO₂濃度は0.1%以下であった。

また、脆化割れの破面をSEMで観察したところ、破面がほとんど粒界破面であることが判明した。さらに、真空中で脆化割れした鋼板と脆化割れしなかった鋼板を破壊し、粒界破面をAES(オージェ電子分光)で分析したところ、脆化割れしなかった鋼板の粒界にはCが強く偏析しているのに対し、脆化割れした鋼板の粒界にはCの偏析が弱く、Pの偏析が強いことが判明した。Cは粒界強化元素、Pは粒界脆化元素として知られており、粒界破壊の原因は粒界Cの減少と粒界Pの増加であると考えられる。また、クロムフリーの絶縁被膜が形成された鋼板で粒界にCの偏析が弱いのは、絶縁被膜のO₂に対するバリア性が低く、粒界で脱炭が進行しやすくなったためと考えられる。一方、クロムを含有した絶縁被膜が形成された鋼板で粒界にCが強く偏析するのは、高O₂ポテンシャル雰囲気下では鋼板-被膜界面にFe-Cr-O系の強固なバリア層が形成され、粒界で脱炭が進行しにくくなったためと考えられる。

歪取焼鈍の雰囲気中にO₂が含まれることはしばしばみられ、例えば、打抜き加工時の加工油を除去する油焼き処理のO₂が残留したり、炉の密封性が悪く大気が混入したりして起こる。また、鉄心をモーターケースに焼きばめする際の熱処理は大気中で行われるので、O₂が含まれることになる。本発明者等は、クロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板を広く普及させるためには、このような雰囲気の焼鈍炉を用いても鋼板が脆化しないようにする必要があると考え、その検討を行った。

その結果、B:0.0003〜0.01%、Sn:0.1%以下を添加し、かつB含有量[B]とSn含有量[Sn]を、上記式(1)、すなわち
[Sn]≧-0.02×log₁₀[B]-0.04 ・・・(1)
を満足させれば、図1に示すように、鋼板の脆化を防止できることが明らかになった。なお、図1の結果は、脆化をJIS C2550で規定されている繰り返し曲げ試験により求めたもので、○は10回以上繰り返し曲げを行っても脆化割れが発生しない、△は3〜9回繰り返し曲げを行うと脆化割れが発生する、×は2回以下の繰り返し曲げを行うと脆化割れが発生する、を表している。また、試験に供した鋼板の成分の含有量は、BとSn以外は本発明範囲内としている。

Snが脆化を抑制するメカニズムは明確ではないが、何らかのメカニズムでPの偏析を妨げているか、鋼中へのO₂の侵入を妨げて、粒界における脱炭の進行を抑制していると考えられる。また、Bは粒界に偏析して粒界脆化を防止しているものと考えられる。

B量の上限を0.01%とし、Sn量の上限を0.1%としたのは、これらの上限を超えると粒成長を阻害し、磁気特性を劣化させるためである。

以下に、BとSn以外の成分の含有量の限定理由を説明する。

C:0.005%以下
Cは、粒界を強化し、脆化防止に効果的な元素である。しかし、磁気時効による磁気特性の劣化を招きやすいため、C量は0.005%以下とする。

Si:1.0〜4.0%
Siは、鋼板の比抵抗を増加させるので、鉄損低減のために有効な元素である。また、高温酸化を抑制するので、クロムフリーの絶縁被膜の密着性を向上させる上でも効果的な元素である。このような効果を発揮するには、Si量を1.0%以上、好ましくは2.0%以上とする必要がある。しかし、Si量が4.0%を超えるとコスト高になる。したがって、Si量は1.0〜4.0%、好ましくは2.0〜4.0%とする。

Al:2.0%以下
Alは、鋼板の比抵抗を増加させるので、鉄損低減のために有効な元素である。また、Bの粒界偏析を促進させ、脆化割れを防ぐ役割も有する。しかし、Al量が2.0%を超えるとコスト高になるため、Al量は2.0%以下とする。

また、図2に例示すように、Al量を0.3%以上添加すると、上述した繰り返し曲げ試験における脆化割れが発生する繰り返し曲げ回数が増加し、鋼板の脆化をより効果的に抑制することができる。Al量を0.3%以上添加すると、N活量を低減させてB活量を高め、Bの粒界偏析が促進されると推察される。

Mn:0.1〜1.0%
Mnは、熱間圧延での割れを防止するために有効な元素であり、この効果を得るためにはMn量を少なくとも0.1%以上とする必要がある。しかし、Mn量が1.0%を超えるとコスト高になる。したがって、Mn量は0.1〜1.0%とする。

P:0.03%以下
Pは、粒界脆化元素であるので、その量は0.03%以下とする必要があるが、できるだけ少ないほど好ましい。

残部はFeおよび不可避的不純物であるが、特に微細な析出物を形成する元素は、焼鈍中の粒成長を阻害し、鉄損を増大させるので、できるだけ低減することが望ましい。例えば、S、N、Oは0.005%以下に、V、Tiは0.002%以下にすることが望ましい。これに対し、Cu、Cr、Ni等の元素は、磁気特性にそれほど影響せず、また、除去の難しい元素であるので、意図的に低減する必要もなく、例えば0.01〜0.05%程度に制御されていれば十分である。

本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法については、通常の方法を用いることができる。すなわち、転炉・脱ガスにて成分調整した後に鋳造し、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、仕上焼鈍、絶縁被膜の塗布・焼付けという工程で製造することができる。冷間圧延は、中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延で置き換えることもできる。鉄損低減の観点から、全ての焼鈍はα単相域で行うことが望ましい。絶縁被膜は、例えば上記の表1に示すようなクロムフリーの処理液を通常の方法で塗布・焼付けすれば形成できる。歪取焼鈍後も被膜特性を保つためには、無機成分が主体の被膜にする必要があることは言うまでもない。

表2に示す成分を有する鋼を転炉・脱ガスで溶製・鋳造してスラブとした後、1100℃で30分間のスラブ加熱を行ってから熱間圧延を行い、厚さ1.8mmの熱延板とし、1000℃で30秒間の熱延板焼鈍を行った。焼鈍後の熱延板を酸洗し、冷間圧延を行い厚さ0.35mmの冷延板とし、1000℃で30秒間の仕上焼鈍を行い、表2に示す成分の絶縁被膜を塗布・焼付けにより形成して無方向性電磁鋼板を作製した。このとき、絶縁被膜の目付量は1.0g/m²とした。得られた電磁鋼板を1%O₂-99%N₂雰囲気中で750℃で2時間の歪取焼鈍を行った後、上述したJIS C2550に規定された繰り返し曲げ試験と以下に示す絶縁被膜の密着性試験を行った。
絶縁被膜の密着性試験：曲げR20mmφで、180°曲げ戻し試験後の被膜剥離率(剥離部分の面積率)により、次のように評価した。
◎：剥離なし
○：〜剥離20%未満
△：剥離20%以上40%未満
×：剥離40%以上
結果を表2に示す。本発明範囲であるクロムフリーの絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板は、歪取焼鈍を行っても脆化割れが発生せず、また、良好な絶縁被膜の密着性を示すことがわかる。

B、Sn量と脆化割れの起こる繰り返し曲げ回数との関係を示す図である。 B、Al量と脆化割れの起こる繰り返し曲げ回数との関係を示す図である。

Claims

質量%で、C:0.005%以下、Si:1.0〜4.0%、Al:2.0%以下、Mn:0.1〜1.0%、P:0.03%以下、B:0.0003〜0.01%、Sn:0.1%以下、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、下記の式(1)を満足することを特徴とするCr量が1質量%以下の絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板；
[Sn]≧-0.02×log₁₀[B]-0.04 ・・・(1)
ただし、[Sn]、[B]は鋼板中のSn、Bの含有量を表す。
質量%で、Al:0.3%以上であることを特徴とする請求項1に記載のCr量が1質量%以下の絶縁被膜が形成された無方向性電磁鋼板。