JP4424075B2

JP4424075B2 - 無方向性電磁鋼板および時効熱処理用無方向性電磁鋼板、ならびにそれらの製造方法

Info

Publication number: JP4424075B2
Application number: JP2004164538A
Authority: JP
Inventors: 浩志藤村; 裕義屋鋪; 諭岡村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005344156A

Description

本発明は、高速で回転するモータのロータ用鉄心の素材として好適な無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。特に、本発明は、回転時の応力あるいは加減速時の応力変動に耐え、優れた強度特性および磁気特性が要求される、磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）や突極型表面磁石モータ（突極型ＳＲＭモータ）のロータ用鉄心の素材として好適な無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。

地球温暖化ガスを削減するため、自動車や家電製品などの分野では消費エネルギーの少ない新製品開発が必要である。例えば、自動車分野では低燃費化するためガソリンエンジンとモータとのハイブリッド駆動自動車（ＨＥＶ）あるいはモータ駆動の電気自動車がある。家電製品分野では年間電気消費量の少ない高効率エアコンや冷蔵庫などがある。それらの共通した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いる。モータ高効率化の過程において、モータの駆動システムは高度化し、さまざまな回転駆動制御が可能になっている。すなわち、駆動電源の周波数制御により、可変速運転、商用周波数以上での高速運転を可能としたモータが増加してきている。

このような高速回転機の実現には、高速回転に耐え得る構造のロータを開発する必要がある。一般に、ロータに作用する遠心力は回転半径に比例し、回転速度の二乗に比例する。このため高速回転で運転する際には、そのロータに作用する力が例えば５００ＭＰａを超える場合もある。したがって、ロータには降伏強度の高い材料が必要となる。通常、モータロータには、積層した無方向性電磁鋼板が使用されるが、上記のような高速回転するモータでは所要の強度を満足できない場合がある。その際にはロータ材料として高強度の鋳鋼などが用いられている。しかしながら、モータロータは、回転時に磁気的性質を利用するものであるから、その材料としては、上述のように、機械特性とともに磁気特性に優れていることが要求される。すなわち、一体物の鋳鋼製ロータでは、渦電流損が非常に大きくなるのでモータの効率が低下してしまうという問題があるのである。また、ＩＰＭモータの場合はそのロータでの損失による発熱で磁石特性が劣化するという問題も生じる。

このように、上記のような高速回転するモータのロータ鉄心材料としては、機械的には高い降伏強度を有し、かつ磁気的には高周波低鉄損を有するものでなければならない。鋼板の強度を高める手段として、冷延鋼板の分野では一般に、固溶強化、析出強化、細粒化強化、変態強化などの方法が用いられるが、高い降伏強度および高周波低鉄損という優れた磁気特性は一般に相反する関係にあり、これらを同時に満足させることは極めて困難であった。

しかしながら、最近では、高い抗張力を有する無方向性電磁鋼板についてのいくつかの提案がなされてきている。例えば特許文献１では、Ｓｉ含有量を３．５〜７．０％と高め、これに固溶硬化の大きい元素を添加し、抗張力を高める方法が提案されている。しかしながら、この方法により得られる鋼板は非常に脆いため、冷間圧延時に破断しやすく歩留まりが非常に低いという問題がある。また、特許文献２では、通常の無方向性電磁鋼板にハイグレード程度にＳｉを含有させると同時に、Ｎｂ，Ｚｒの１種または２種、もしくはＴｉ，Ｖの１種または２種の炭窒化物を活用し、さらには熱間圧延条件および仕上げ焼鈍条件を制御することにより、機械特性および磁気特性を兼備した降伏強度の高い無方向性電磁鋼板を製造する方法が提案されている。しかしながら、この方法では仕上げ焼鈍温度が低いために、鋼板の結晶粒径が非常に小さく、鉄損が非常に劣るという問題がある。

特開昭６０−２３８４２１号公報特開平６−３３０２５５号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷間圧延性に優れ、降伏強度が高く高周波での鉄損の低い無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することを主目的とする。

本発明者らは、時効熱処理による析出強化で強度を高め、かつ優れた磁気特性を有する鋼板ができないかとの観点から鋭意研究を積み重ねた結果、磁気特性および強度特性の両方に有利なＳｉ含有の鋼をベースに、析出強化元素としてＣｕを活用し、必要に応じて硫化物やＴｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒの炭窒化物をも活用することにより、強度特性および磁気特性を兼ね備えた無方向性電磁鋼板が得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなり、降伏強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板を提供する。

本発明においては、無方向性電磁鋼板の鋼組成および降伏強度を所定の範囲とすることにより、冷間圧延性、磁気特性および強度特性に優れたものとすることができる。また、本発明の無方向性電磁鋼板を例えばモータロータに用いた場合、運転中に変形や破壊が生じることなく安定して使用可能なモータロータとすることができる。

上記発明においては、上記無方向性電磁鋼板が、質量％で、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有することが好ましい。これらの元素を所定量含有することにより、強度特性を効果的に向上させることができるからである。

また本発明は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなることを特徴とする時効熱処理用無方向性電磁鋼板を提供する。

本発明においては、時効熱処理用無方向性電磁鋼板を所定の鋼組成とすることにより、冷間圧延性および磁気特性に優れたものとすることができる。また、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板に時効熱処理を施すことにより、強度特性も良好な無方向性電磁鋼板を得ることができる。

上記発明においては、上記時効熱処理用無方向性電磁鋼板が、質量％で、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有することが好ましい。これらの元素を所定量含有する時効熱処理用無方向性電磁鋼板であれば、時効熱処理を施すことにより強度特性を一層改善することができるからである。

さらに本発明は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなる冷延鋼板に、９００℃以上１１５０℃以下の範囲内の仕上げ焼鈍温度で仕上げ焼鈍を施す仕上げ焼鈍工程と、
上記仕上げ焼鈍工程後の鋼板を、９００℃以下６００℃以上の温度域での平均冷却速度が１℃／ｓ以上の範囲となるように冷却する冷却工程と
を有することを特徴とする時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を提供する。

本発明においては、冷延鋼板の鋼組成と、仕上げ焼鈍工程での仕上げ焼鈍温度と、冷却工程での平均冷却速度とを適正に制御することにより、冷間圧延性および磁気特性が良好な時効熱処理用無方向性電磁鋼板を製造することができる。また、本発明により得られた時効熱処理用無方向性電磁鋼板に時効熱処理を施すことにより、強度特性も改善された無方向性電磁鋼板を製造することができる。

上記発明においては、上記冷延鋼板が、質量％で、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有することが好ましい。

本発明は、また、上述した時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を用いて行われるものであり、上記時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法により得られる時効熱処理用無方向性電磁鋼板に、４００℃以上７００℃以下の範囲内の時効熱処理温度で、下記式（１）で示される熱処理パラメータＰが１３０００以上１８０００以下の範囲内となるように時効熱処理を施す時効熱処理工程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。
Ｐ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））（１）
（ここで、Ｔは時効熱処理温度（℃）であり、ｔは時効熱処理時間（ｈ）である。）

本発明においては、上述した時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を用い、時効熱処理工程での時効熱処理温度および熱処理パラメータを適正に制御することにより、強度特性および磁気特性のいずれも改善された無方向性電磁鋼板を製造することができる。

本発明によれば、降伏強度が高く高周波での鉄損の低い無方向性電磁鋼板を効率よく製造することが可能である。また、この無方向性電磁鋼板を用いて製造した鉄心が高速回転するモータロータに組み込まれれば、モータ効率が高くなることはもちろん、運転中に変形や破壊することなく長期間にわたり安定して使用可能となる。このような省エネルギー効果により地球環境に負荷の少ない未来社会創造に貢献できる。

本発明者らは、強度が高く、かつ磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板を得るために、時効熱処理を用いた析出強化により無方向性電磁鋼板を高強度化することを新たに着想し、時効熱処理による鋼板の強度特性および磁気特性への影響を調査した。その結果、磁気特性および強度特性の両方に有利なＳｉ含有の鋼をベースに、析出強化元素としてＣｕを活用し、必要に応じて硫化物やＴｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒの炭窒化物をも活用し、強度特性および磁気特性を兼ね備えた無方向性電磁鋼板が得られることを見出した。以下、本発明をなすに至った知見およびそれに至る実験結果について説明する。

真空溶解炉にて、主要成分が質量％で、Ｃ：０．００５％、Ｓｉ：２％、Ｍｎ：０．２％、Ｐ：０．０９％、Ｓ：０．００１％、Ａｌ：０．７％、Ｎ：０．００２％、Ｃｕ：２．５％であり、Ｔｉ含有量が０．００２％または０．０４％である鋳片を作製し、１１００℃で加熱した後、仕上げ温度を８５０℃として熱間圧延を施し、厚さ２．６ｍｍの熱延鋼板を作製した。上記熱延鋼板を厚さ２．０ｍｍまで研削加工し、さらに厚さ０．３５ｍｍまで冷間圧延を施した。この冷間圧延により得られた冷延鋼板に９５０℃で２０秒間の仕上げ焼鈍を施し、次いで２０℃／ｓの平均冷却速度で室温まで冷却し、幅５５ｍｍ、長さ５５ｍｍの単板試験片を作製した。この単板試験片に３５０〜８００℃で１０分間の時効熱処理を施した後、降伏強度および鉄損Ｗ_{１０／４００}を測定した。

図１に時効熱処理温度と降伏強度との関係、および図２に時効熱処理温度と鉄損Ｗ_{１０／４００}との関係を示す。図１および図２より明らかなように本実験条件では４００℃から６５０℃の時効熱処理にて降伏強度が５００ＭＰａ以上となり、かつ鉄損はその時効によりほとんど劣化しないことが明らかになった。さらに、Ｔｉを０．０４％含有する鋼板は磁気特性がやや劣化するが、降伏強度がＴｉを０．００２％含有する鋼板よりも高くなることが判明した。

ここで図１において、時効熱処理温度が８００℃である場合に降伏強度の上昇が見られるのは、Ｃｕが再固溶した後に時効熱処理後の冷却過程でＣｕの析出が生じるためであると考えられる。

さらに種々の温度・時間条件の組合せにて時効熱処理を施し、下記式（１）で示される熱処理パラメータＰと降伏強度との関係を求めた。結果を図３に示す。

Ｐ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））（１）
（ここで、Ｔは時効熱処理温度（℃）であり、ｔは時効熱処理時間（ｈ）である。）

図３に示すように、熱処理パラメータＰが１３０００以上１８０００以下の範囲内で降伏強度５００ＭＰａ以上が得られることが明らかとなった。

従来では、磁気特性に対して析出相が悪影響を及ぼすとされていた。これは、析出相はその周囲の静磁エネルギーを減少させるために新たな磁区を生成したり、磁壁移動の障害になったりするため、磁気特性が劣化すると考えられていたからである。しかしながら上述の実験結果より、時効析出により生成した微細なＣｕ相あるいはクラスターは磁気特性を劣化させないことが今回はじめて明らかとなった。その機構については明らかではないが、本発明者らは次のように推定する。析出硬化が最も顕著になる粒子サイズ（約１０ｎｍ）は磁壁の厚みと同等以下であるため、新たな磁区が生成せず、磁壁移動の障害にもならないものと推定される。また、Ｔｉ含有量が多いと降伏強度が上昇するのはＴｉ炭窒化物の析出強化によるものと推察される。

以下、本発明の無方向性電磁鋼板および時効熱処理用無方向性電磁鋼板、ならびにそれら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ついて説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなり、降伏強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。

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。

本発明においては、無方向性電磁鋼板の鋼組成および降伏強度を所定の範囲とすることにより、冷間圧延性、磁気特性および強度特性に優れたものとなるので、本発明の無方向性電磁鋼板を例えばモータロータに用いた場合、運転中に変形や破壊が生じることなく安定して使用可能なモータロータとすることができる。
以下、本発明の無方向性電磁鋼板の鋼成分および降伏強度について説明する。

１．鋼成分
（１）Ｃ
Ｃは鋼板の強度を高めるのに有効な元素である。しかしながら、Ｃ含有量が０．０２％を超えるとセメンタイト、εカーバイドなどの炭化物が析出し、磁気特性劣化が顕著になる場合がある。したがって、Ｃ含有量は０．０２％以下とする。また、より一層の磁気特性向上、特に鉄損を向上させるにはＣ含有量の上限を０．００５％にするのが好ましい。一方、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｖなどの炭化物生成元素を０．０１％以上含有させて析出強化を図る場合には、Ｃ含有量を０．００５％〜０．０２％に制御することが好ましい。

（２）Ｓｉ
Ｓｉは鋼の比抵抗を高め、鉄損低減に有効である。また、Ｓｉは固溶強化により鋼板の強度を高めるのにも有効である。Ｓｉ含有量は必要な鉄損特性および強度特性に応じて決定すればよい。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．６％未満では必要な降伏強度および鉄損が得られない可能性がある。一方、Ｓｉ含有量が４％を超えると冷間圧延において破断しやすくなり製造コストが著しく増大する場合がある。したがって、Ｓｉ含有量は１．６％以上４％以下とする。さらに、冷間圧延時の破断による歩留まり低下を抑制するためには、Ｓｉ含有量を１．６％以上３．４％以下にするのが好ましい。

また、時効熱処理により降伏強度５００ＭＰａ以上の鋼板を得るための適正なＳｉ含有量はＣｕ含有量によって決定することが好ましい。具体的には、ＳｉおよびＣｕの含有量（質量％）をそれぞれ［Ｓｉ］、［Ｃｕ］としたとき、下記式を満足することが好ましい。
［Ｓｉ］＞０．４［Ｃｕ］^２−２［Ｃｕ］＋４

（３）Ｍｎ
Ｍｎは不可避的不純物であり、添加する必要はない。しかしながら、Ｍｎは鋼の比抵抗を高め、鉄損低減に有効である。その効果を得るには０．１％以上含有させることが好ましい。一方、Ｍｎ含有量が１％を超えると原料コストが大きくなる場合がある。したがって、Ｍｎ含有量は１％以下に限定する。

（４）Ｐ
Ｐは不可避的不純物であり、添加する必要はない。しかしながら、Ｐは固溶強化により鋼板の強度を高めるのに有効な元素であり、その効果を得るには０．０５％以上含有させることが好ましい。一方、Ｐ含有量が０．２％を超えると鋼の靱性が劣化し、冷間圧延時に破断するおそれがある。したがって、Ｐ含有量は０．２％以下に限定する。

（５）Ｓ
Ｓは不可避的不純物であり、添加する必要はない。Ｓ含有量が０．０３％を超えると粗大なＭｎ，Ｃｕ含有硫化物が形成され、鋼の靭性が劣化し、冷間圧延時に破断するおそれがある。したがって、Ｓ含有量は０．０３％以下に限定する。また、硫化物分散による細粒化により強化を図るには、Ｓ含有量を０．００６％以上含有させることが好ましい。

（６）Ａｌ
ＡｌはＳｉと同様に鋼の比抵抗を高め、鉄損低減に有効である。また、脱酸に有効な元素であり、非金属介在物を低減することができる。しかしながら、Ａｌ含有量が３％を超えると飽和磁束密度が著しく低下し鉄心性能が劣化する可能性がある。一方、溶鋼の脱酸を効率的に行うにはＡｌを０．１％以上含有させることが必要である。したがって、Ａｌ含有量は０．１％以上３％以下に限定する。

（７）Ｃｕ
Ｃｕは本発明において必須の元素である。上述したように、Ｃｕ析出物が非常に微細である場合には、磁気特性をほとんど劣化させることなく、強度特性を向上させる効果がある。しかしながら、Ｃｕ含有量が１％以下ではＣｕ析出による強度上昇が十分得られない可能性がある。一方、Ｃｕ含有量が増加するにつれて時効硬化量は大きくなるが４％を超えると析出強化現象が飽和し、また鋼板の磁束密度も低下する場合がある。したがって、Ｃｕ含有量は１％超４％以下に限定する。また、析出強化が最も顕著になるという点から、Ｃｕ含有量は２％以上３％以下であることが好ましい。

さらに、鋼板の表面疵抑制のためには、Ｓｉ，ＡｌおよびＣｕ含有量（質量％）が下記式を満足することが好ましい。
［Ｓｉ］＋４［Ａｌ］−１．２［Ｃｕ］＞１
（ここで、［Ｓｉ］はＳｉ含有量（質量％）、［Ａｌ］はＡｌ含有量（質量％）、［Ｃｕ］はＣｕ含有量（質量％）を示す。）

（８）Ｂ
Ｂは任意添加元素であり、本発明において必須の元素ではない。しかしながら、Ｂを０．０００３％以上含有させることで熱延鋼板の靱性が向上し、冷間圧延時に破断しにくくなる。一方、Ｂ含有量が０．０１０％を超えると粗大なＢ化合物が生成し、かえって冷間圧延時に破断するおそれがある。したがって、Ｂ含有量は０．０１０％以下に限定する。また、鋼板製造性の観点より、Ｂ含有量は０．０００３％以上０．００４０％以下にすることが好ましい。

（９）Ｔｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶ
Ｔｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶは炭化物を形成し、磁気特性を劣化させるので、特に添加する必要はない。しかしながら、強度特性を向上させるにはＴｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶの合計含有量を０．０１％以上とすることが有効である。一方、Ｔｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶの合計含有量が０．３％を超えると炭化物が粗大分散して強度向上にほとんど寄与しない可能性がある。したがって、Ｔｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶの合計含有量は０．０１％以上０．３％以下とすることが好ましい。

本発明においては、無方向性電磁鋼板が、Ｔｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有することが好ましく、この際、上述したようにＴｉ，Ｎｂ，ＺｒおよびＶの合計含有量が０．０１％以上０．３％以下であることが好ましいのであるが、炭化物生成による析出強化を確実に図るには、Ｔｉ，Ｎｂ，ＶまたはＺｒのいずれか一つの元素の含有量を単独で０．０１％以上とすることが好ましい。

２．降伏強度
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の降伏強度について説明する。本発明の無方向性電磁鋼板の降伏強度は、５００ＭＰａ以上であり、好ましくは６００ＭＰａ以上とする。降伏強度を上記範囲とすることにより、本発明の無方向性電磁鋼板を用いて例えばモータロータとした際に、運転中に変形や破壊が発生することなく安定して使用することが可能となるからである。

また、降伏強度の上限値としては特に限定されないが、通常１０００ＭＰａ以下とする。

なお、上記降伏強度は、ＪＩＳ−Ｚ−２２４１に規定の方法にて測定することができる。

Ｂ．時効熱処理用無方向性電磁鋼板
次に、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板について説明する。
本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなることを特徴とするものである。

本発明においては、時効熱処理用無方向性電磁鋼板を所定の鋼組成とすることにより、冷間圧延性および磁気特性に優れたものとすることができる。また、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板は、時効熱処理に供する無方向性電磁鋼板であるので、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板に時効熱処理を施すことにより、磁気特性および強度特性に優れた無方向性電磁鋼板を得ることができる。

なお、鋼成分については、上述した「Ａ．無方向性電磁鋼板」の項に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。また、時効熱処理については、後述する「Ｄ．無方向性電磁鋼板の製造方法」の項に記載するため、ここでの説明は省略する。

Ｃ．時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法
次に、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなる冷延鋼板に、９００℃以上１１５０℃以下の範囲内の仕上げ焼鈍温度で仕上げ焼鈍を施す仕上げ焼鈍工程と、
上記仕上げ焼鈍工程後の鋼板を、９００℃以下６００℃以上の温度域での平均冷却速度が１℃／ｓ以上の範囲となるように冷却する冷却工程と
を有することを特徴とするものである。

本発明においては、冷延鋼板の鋼組成と、仕上げ焼鈍工程での仕上げ焼鈍温度と、冷却工程での平均冷却速度とを適正に制御することにより、冷間圧延性および磁気特性が良好な時効熱処理用無方向性電磁鋼板を製造することができる。また、本発明により得られた時効熱処理用無方向性電磁鋼板に時効熱処理を施すことにより、磁気特性だけでなく強度特性も改善された無方向性電磁鋼板を製造することができる。
以下、本発明の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法の各工程について説明する。

１．仕上げ焼鈍工程
本発明における仕上げ焼鈍工程は、質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅおよび不純物からなる冷延鋼板に、９００℃以上１１５０℃以下の範囲内の仕上げ焼鈍温度で仕上げ焼鈍を施す工程である。

本工程における仕上げ焼鈍温度の制御は、鋼板の時効熱処理前の強度特性と、時効熱処理後の強度特性および磁気特性とを改善する上で非常に重要である。仕上げ焼鈍温度が９００℃未満では、再結晶粒成長が不十分となり磁気特性が著しく劣化する可能性がある。一方、１１５０℃を超えると鋼板の平坦度が著しく劣化し、打ち抜き加工性が劣化する場合がある。したがって、仕上げ焼鈍温度は９００℃以上１１５０℃以下に限定する。また、より一層の鉄損低減には仕上げ焼鈍温度が高ければ高いほどよく、９５０℃以上とすることが好ましい。

なお、冷延鋼板の鋼成分については、上述した「Ａ．無方向性電磁鋼板」の項に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。

２．冷却工程
本発明における冷却工程は、上記仕上げ焼鈍工程後の鋼板を、９００℃以下６００℃以上の温度域での平均冷却速度が１℃／ｓ以上の範囲となるように冷却する工程である。

本発明において冷却速度を制御することは、冷却工程にてＣｕを過飽和固溶状態とし、上記冷却工程後に後述の「Ｄ．無方向性電磁鋼板の製造方法」に記載する時効熱処理工程を行うことによりＣｕの析出を促して、目的とする降伏強度を得るのに重要である。このため、Ｃｕの析出が盛んとなる９００℃以下６００℃以上の温度域を冷却する際には、平均冷却速度１℃/ｓ以上で冷却することが必要である。９００℃以下６００℃以上の温度域での平均冷却速度が１℃／ｓ未満である場合には、冷却過程においてＣｕの析出が過剰に進行するため、時効熱処理工程を行う前にＣｕの過飽和固溶状態を実現できず、その後時効熱処理を施したとしても目的とする降伏強度を得ることができない可能性があるからである。また、時効熱処理工程前に過飽和固溶状態を実現できればよいのであるから、平均冷却速度の上限は特に限定されないが、平均冷却速度が過大となると平坦度が悪くなり鉄心製造（打ち抜き積層）が困難となるので、平均冷却速度を１００℃／ｓ以下とすることが好ましい。

また、冷却工程では、鋼板を室温まで冷却させてもよく、後述する時効熱処理温度まで冷却させてもよい。鋼板を時効熱処理温度まで冷却させた場合は、後述する時効熱処理工程にて鋼板の温度を時効熱処理温度まで再度上昇させる必要がないため、製造工程が簡便となり冷却工程と時効熱処理工程とを連続して行うことができる。

３．その他
本発明においては、上記仕上げ焼鈍工程前に、通常、上述した鋼成分を有する鋼塊または鋼片（以下、スラブということもある。）に熱間圧延を施す熱間圧延工程と、この熱間圧延工程により得られる熱延鋼板に冷間圧延を施す冷間圧延工程とが行われる。

本発明における熱間圧延および冷間圧延としては一般的な方法を用いることができ、熱間圧延工程および冷間圧延工程での温度、圧延方向に対する張力等の条件は、スラブの鋼組成、目的とする鋼板の板厚などにより適宜選択するものとする。

また本発明においては、上記熱間圧延工程後に、熱延鋼板に熱延板焼鈍を施す熱延板焼鈍工程を行ってもよい。

さらに本発明においては、上記冷間圧延工程は、熱延鋼板に中間焼鈍をはさんだ二回以上の冷間圧延を施す工程であってもよい。

このような熱延板焼鈍や中間焼鈍は必ずしも必須の工程ではないが、熱延板焼鈍または中間焼鈍を行うことにより、鋼板の延性が向上し冷間圧延での破断が少なくなる。熱延板焼鈍および中間焼鈍は、いずれか一方を行ってもよく、両方を行ってもよい。

また、熱延板焼鈍および中間焼鈍における焼鈍温度は、５００℃未満であるとかえって鋼板の強度が高くなりすぎ、冷間圧延が困難となる可能性がある。一方、熱延板焼鈍および中間焼鈍における焼鈍温度が９００℃を超えてもＣｕの固溶・再析出が起こり、鋼板強度が高くなり、冷間圧延が困難となる可能性がある。したがって、熱延板焼鈍や中間焼鈍を施す場合は、焼鈍温度を５００℃以上９００℃以下とすることが好ましい。

なお、本発明により製造された時効熱処理用無方向性電磁鋼板については、上述した「Ｂ．時効熱処理用無方向性電磁鋼板」の項に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。

Ｄ．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、上述した時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を用いて行われるものであり、上記時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法により得られる時効熱処理用無方向性電磁鋼板に、４００℃以上７００℃以下の範囲内の時効熱処理温度で、下記式（１）で示される熱処理パラメータＰが１３０００以上１８０００以下の範囲内となるように時効熱処理を施す時効熱処理工程を有することを特徴とするものである。
Ｐ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））（１）
（ここで、Ｔは時効熱処理温度（℃）であり、ｔは時効熱処理時間（ｈ）である。）

本発明においては、上述の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を用い、時効熱処理工程での時効熱処理温度および熱処理パラメータを適正に制御することにより、強度特性および磁気特性のいずれも改善された無方向性電磁鋼板を製造することができる。

なお、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法における時効熱処理工程以外の製造工程については、上述した「Ｃ．時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法」の項に記載したものと同様である。以下、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法の時効熱処理工程について説明する。

１．時効熱処理工程
本発明における時効熱処理工程は、上述の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法により得られる時効熱処理用無方向性電磁鋼板に、４００℃以上７００℃以下の範囲内の時効熱処理温度で、下記式（１）で示される熱処理パラメータＰが１３０００以上１８０００以下の範囲内となるように時効熱処理を施す工程である。
Ｐ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））（１）
（ここで、Ｔは時効熱処理温度（℃）であり、ｔは時効熱処理時間（ｈ）である。）

本発明において、時効熱処理は無方向性電磁鋼板の強度を高めるのに必要である。その時効強化による効果を得るには、時効熱処理温度を４００℃以上とすることが必要である。時効熱処理温度が４００℃未満では時効熱処理時間が長大となるため生産性に劣る場合があるからである。一方、時効熱処理温度が７００℃を超えると過時効になりＣｕ析出粒子は粗大化して所望の降伏強度が得られず、磁気特性も劣化する可能性がある。したがって、時効熱処理温度は４００℃以上７００℃以下と限定する。

さらに本発明においては、時効熱処理温度Ｔ（℃）と時効熱処理時間ｔ（ｈ）とにより上記式（１）で示される熱処理パラメータＰが、１３０００以上１８０００以下となる条件を満足する必要がある。熱処理パラメータＰが１３０００未満の場合には時効析出が不十分となり、熱処理パラメータＰが１８０００を超える場合には過時効となり、それぞれ所望の降伏強度が得られない可能性があるからである。

また、時効熱処理工程は非酸化性雰囲気で行うことが好ましく、例えば水素、窒素あるいはアルゴンなどが挙げられる。

なお、本発明により製造された無方向性電磁鋼板については、上述した「Ａ．無方向性電磁鋼板」の項に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。

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、実施例を例示して、本発明を具体的に説明する。
［実施例１］
転炉で脱炭脱硫した溶鋼２３０ｔｏｎを取鍋内に出鋼し、取鍋をＲＨ式真空脱ガス装置に移動した。ＲＨ式真空脱ガス装置で減圧脱炭を行い、鋼中のＣ含有量を０．０１５％以下とした後に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ，Ｓ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｂ，Ｔｉ，Ｎｂ，ＶおよびＺｒの含有量を調整し、連続鋳造機にてスラブとした。

上記スラブを加熱炉で１１５０℃まで加熱し、仕上げ温度８００〜８８０℃、巻き取り温度６５０℃で熱間圧延し、厚さ２．０ｍｍとした。次いで、酸洗脱スケールして７００〜８００℃で１０時間焼鈍後、厚さ０．３５ｍｍまで冷間圧延し、８５０〜１０５０℃で仕上げ焼鈍し、９００℃以下６００℃以上の温度域を２０℃／ｓの平均冷却速度で冷却した。さらに、４５０℃または５００℃で１０時間の時効熱処理を施し、全ての鋼板表面に絶縁皮膜を塗布した。この鋼板から２８ｃｍエプスタイン試験片を採取してＪＩＳ−Ｃ−２５５０規定の方法により鉄損を測定した。また、上述した引張試験により降伏強度および引張強度を測定した。

製品の成分分析値、磁気特性および強度特性の評価結果を表１に示す。

試験番号１〜１２の鋼板は、降伏強度が５００ＭＰａ以上でかつ鉄損Ｗ_{１０／４００}が３０Ｗ／ｋｇ以下となり、所要の強度特性および磁気特性が得られた。一方、試験番号１３〜１９の鋼板は降伏強度が劣っていた。特に鋼Ａ７により製造した試験番号１８の鋼板では、Ｓｉ，ＡｌおよびＣｕの含有量のバランスが悪く、鋼板表面に疵が発生した。

［実施例２］
試験番号３または１２で用いた鋼Ａ１０またはＡ１９により製造した冷延鋼板を用いて、仕上げ焼鈍温度を８２０℃から１１６０℃まで変化させて仕上げ焼鈍を行った。さらに、種々の時効熱処理を施し、全ての鋼板表面に絶縁皮膜を塗布した。この鋼板から２８ｃｍエプスタイン試験片を採取してＪＩＳ−Ｃ−２５５０規定の方法により鉄損を測定し、さらに引張試験により降伏強度を測定した。

仕上げ焼鈍温度および時効熱処理温度、ならびに製品の磁気特性、強度特性および平坦度を表２に示す。

ここで、平坦度とは、仕上げ焼鈍後の鋼帯から長手方向に３ｍの鋼板を採取して、水平な定盤上にのせ、側波の高さ（ｈ）および波長（Ｌ）を測定することにより得られるｈ／Ｌ値を基準とするものであり、平坦度１００ｈ／Ｌ値が０．４以下のものを「○」印で表し、平坦度１００ｈ／Ｌ値が０．４超０．８以下のものを「△」印で表し、平坦度１００ｈ／Ｌ値が０．８を超えるものを「×」印で表す。

試験番号２０〜２５のように、本発明にしたがって製造した鋼板は、降伏強度が５００ＭＰａ以上の所要の強度特性が得られ、さらに鉄損Ｗ_{１０／４００}が３０Ｗ／ｋｇ以下と磁気特性に優れるものであった。一方、熱処理パラメータＰが本発明の製造条件から外れる試験番号２７および３０の鋼板は、降伏強度が５００ＭＰａを下回っており、試験番号２０〜２５の鋼板より明らかに劣っていた。また、仕上げ焼鈍温度が８５０℃である試験番号２６および仕上げ焼鈍温度が８２０℃である試験番号２９の鋼板は、鉄損が劣っており、仕上げ焼鈍温度が１１６０℃である試験番号２８および３１の鋼板は、平坦度が非常に劣っていることが判明した。

時効熱処理温度と鋼板の降伏強度との関係を示すグラフである。時効熱処理温度と鋼板の鉄損Ｗ_{１０／４００}との関係を示すグラフである。熱処理パラメータＰと鋼板の降伏強度との関係を示すグラフである。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０〜０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、さらに、ＴｉおよびＮｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、降伏強度が５００ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
質量％で、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有するとともに、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒを合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で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。
質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０〜０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、さらに、ＴｉおよびＮｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする時効熱処理用無方向性電磁鋼板。
質量％で、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有するとともに、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒを合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有することを特徴とする請求項３に記載の時効熱処理用無方向性電磁鋼板。
質量％で、Ｃ：０．０２％以下、Ｓｉ：１．６％以上４％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以上３％以下、Ｂ：０〜０．０１０％以下、およびＣｕ：１％超４％以下を含有し、さらに、ＴｉおよびＮｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる冷延鋼板に、９００℃以上１１５０℃以下の範囲内の仕上げ焼鈍温度で仕上げ焼鈍を施す仕上げ焼鈍工程と、
前記仕上げ焼鈍工程後の鋼板を、９００℃以下６００℃以上の温度域での平均冷却速度が１℃／ｓ以上の範囲となるように冷却する冷却工程と
を有することを特徴とする時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法。
前記冷延鋼板が、質量％で、ＶおよびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有するとともに、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒを合計で０．０１％以上０．３％以下の範囲内で含有することを特徴とする請求項５に記載の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法。
請求項５または請求項６に記載の時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法を用いて行われるものであり、前記時効熱処理用無方向性電磁鋼板の製造方法により得られる時効熱処理用無方向性電磁鋼板に、４００℃以上７００℃以下の範囲内の時効熱処理温度で、下記式（１）で示される熱処理パラメータＰが１３０００以上１８０００以下の範囲内となるように時効熱処理を施す時効熱処理工程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。
Ｐ＝（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔ））（１）
（ここで、Ｔは時効熱処理温度（℃）であり、ｔは時効熱処理時間（ｈ）である。）