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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-11
(45)【発行日】2023-07-20
(54)【発明の名称】二方向性電磁鋼板およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   C22C 38/00 20060101AFI20230712BHJP
   C22C 38/06 20060101ALI20230712BHJP
   C22C 38/60 20060101ALI20230712BHJP
   C21D 8/12 20060101ALI20230712BHJP
【FI】
C22C38/00 303U
C22C38/06
C22C38/60
C21D8/12 A
【請求項の数】 19
(21)【出願番号】P 2021517630
(86)(22)【出願日】2019-09-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-06
(86)【国際出願番号】 KR2019012471
(87)【国際公開番号】W WO2020067721
(87)【国際公開日】2020-04-02
【審査請求日】2021-05-10
(31)【優先権主張番号】10-2018-0115267
(32)【優先日】2018-09-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】522492576
【氏名又は名称】ポスコ カンパニー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000051
【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】イ,セ イル
【審査官】鈴木 葉子
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-122269(JP,A)
【文献】特開2012-126980(JP,A)
【文献】特開2008-106367(JP,A)
【文献】米国特許第03078198(US,A)
【文献】特開平08-243700(JP,A)
【文献】特開2006-241503(JP,A)
【文献】韓国公開特許第10-2018-0073323(KR,A)
【文献】特開2013-060653(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 38/00-38/60
C21D 8/12, 9/46
H01F 1/12- 1/38, 1/44
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.008%以下(0%を除く)、C:0.005%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.00010~0.005%およびMg:0.00010~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなり、
キューブ集合組織である{100}<001>から15°以内の方位を有する結晶粒の面積分率が60~99%であることを特徴とする二方向性電磁鋼板。
【請求項2】
下記式1を満足することを特徴とする請求項1に記載の二方向性電磁鋼板。
[式1]
[Ca]+[Mg]≧[S]
(式1中、[Ca]、[Mg]および[S]は、それぞれCa、MgおよびSの含有量(重量%)を示す。)
【請求項3】
Sb:0.001~0.1重量%およびSn:0.001~0.1重量%のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項4】
Ti:0.01重量%以下、Mo:0.01重量%以下、Bi:0.01重量%以下、Pb:0.01重量%以下、As:0.01重量%以下、Be:0.01重量%以下、およびSr:0.01重量%以下のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項5】
平均結晶粒径が前記鋼板の厚さの20倍以上であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項6】
鋼板の基材の表面から基材の内部方向に形成された酸化層と、前記基材の表面上に形成された絶縁層とを含むことを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項7】
前記酸化層の厚さは、5μm以下であることを特徴とする請求項に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項8】
前記絶縁層の厚さは、0.2~8μmであることを特徴とする請求項6又は7に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項9】
前記基材の表面および前記絶縁層の間に介在したフォルステライト層をさらに含むことを特徴とする請求項乃至のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
【請求項10】
圧延方向と圧延垂直方向のBrがすべて1.63T以上であり、円周方向のBrが1.56T以上であり、Brは下記式2で計算されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
[式2]
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【請求項11】
前記鋼板を750℃~880℃の温度で1~2時間焼鈍後に測定された圧延方向と圧延垂直方向のBr値が1.65T以上であり、Brは下記式2で計算されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板。
[式2]
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8
(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【請求項12】
重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.02%以下(0%を除く)、C:0.05%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.00010~0.005%およびMg:0.00010~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなるスラブを製造する段階、
前記スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、
前記熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、
前記冷延板を1次再結晶焼鈍する段階、および
1次再結晶焼鈍された冷延板を2次再結晶焼鈍する段階を含み、
製造された鋼板は、キューブ集合組織である{100}<001>から15°以内の方位を有する結晶粒の面積分率が60~99%であることを特徴とする二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項13】
前記スラブは、下記式3を満足することを特徴とする請求項12に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
[式3]
[C]/[Si]≧0.0067
(式3中、[C]および[Si]は、それぞれスラブ内のCおよびSiの含有量(重量%)を示す。)
【請求項14】
前記熱延板を製造する段階は、
スラブを粗圧延する段階、粗圧延されたバーを加熱する段階、および加熱されたバーを仕上圧延する段階を含み、
前記バーを加熱する段階で、1100℃以上の温度で30秒~20分間維持することを特徴とする請求項12又は13に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項15】
前記1次再結晶焼鈍する段階で、50~70℃の露点温度で脱炭する段階を含むことを特徴とする請求項12乃至14のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項16】
前記1次再結晶焼鈍する段階で、窒化段階を含み、窒化量が0.01~0.03重量%であることを特徴とする請求項12乃至15のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項17】
前記1次再結晶焼鈍する段階の後、1次再結晶焼鈍された鋼板の平均結晶粒の粒径が30~50μmであることを特徴とする請求項12乃至16のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項18】
前記1次再結晶焼鈍する段階の後、焼鈍分離剤を塗布する段階をさらに含むことを特徴とする請求項12乃至17のいずれか一項に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項19】
前記2次再結晶焼鈍する段階の後、鋼板の表面に形成されたフォルステライト層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の二方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二方向性電磁鋼板およびその製造方法に関し、より具体的には、合金組成内でMg、Caの含有量を適切に制御して、{100}<001>方位を有する結晶粒の分率を高めることによって、圧延方向および圧延垂直方向の磁性が非常に優れた二方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電磁鋼板の磁束密度を向上させるためには鋼の集合組織を向上させて磁化方向に<100>軸を平行に整列させる方法が最も効果的であると知られている。また、追加的に鋼の合金量を減らしてFe原子が鋼中に占める分率を向上させることで飽和磁束を純鉄に近くすることにより、磁束密度を向上させる方法が使用される。このうち、方向性電磁鋼板の場合、Goss方位と呼ばれる{110}<001>方位を用いるもので、通常、スラブ-熱延-熱延板焼鈍-冷延-1次再結晶中の脱炭-窒化-2次高温焼鈍過程により得ることができる。しかし、これは、圧延方向(Rd方向)にのみ磁性が優れ、圧延垂直方向(TD方向)では磁性が極めて劣位で磁化の方向が圧延方向に定められている変圧器以外には使用が困難である。そのため、これとは異なる集合組織として磁化方向と<100>軸を平行にする集合組織を制御した電磁鋼板の製造が要求される。
【0003】
回転機器における磁化方向は通常板面内で回転するため、<100>軸は板面に平行でなければならないが、その条件下での方位のうち、鉄鋼材料でよく観察される方位は{100}<011>方位である。これは、圧延方向から45度圧延垂直方向(TD方向)にずれた方向に<100>軸が平行であるため、磁化方向が板の圧延方向で45度の時、最も磁性に優れた特徴がある。しかし、この方位は冷間圧延の安定方位で再結晶焼鈍時にはすべて無くなる特徴があり、電磁鋼板素材で活用されていない。
【0004】
これと類似して{100}<001>方位があるが、これは、Cube方位としてかつてから有用性が認められてきたが、交差圧延をしたり、真空焼鈍をするなど、実際の大規模工業生産が不可能な器具により製造する方法だけが知られている。特に、交差圧延法は、素材の連続生産が不可能なことから活用できないが、大型発電機の場合、数mの直径の円筒形態のコアを製造しなければならないため、板面でコアを数個から数十個に分割してこれを組み立てる形態で作る工程に適用できず、生産性も極めて低くなる。
【0005】
発電機の場合、一般のタービン発電機は、各国の商用電気周波数である50Hz、あるいは60Hzに合わせて電気を生産するため、50Hzおよび60Hzにおける磁気的性質が重要であるか、風力発電機などの回転速度が遅い発電機では、このようなDCおよび30Hz以下での磁気的特性が重要である。したがって、前記機器では、交流磁気で発生する鉄損よりも、磁化の程度を示す磁束密度特性がより重要な特性であるが、一般にB8磁束密度でこれを評価する。B8磁束密度は、磁場の強度が800A/mでの鋼板の磁束密度値を意味するが、これは、主に50Hzの交流磁気で測定するが、場合によっては、直流で測定したり、50Hz以下の周波数で測定したりもする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明目的は、合金組成内でMg、Caの含有量を適切に制御して、{100}<001>方位を有する結晶粒の分率を高めることによって、圧延方向および圧延垂直方向の磁性が非常に優れた二方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.008%以下(0%を除く)、C:0.005%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.0001~0.005%およびMg:0.0001~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなることを特徴とする。
【0008】
本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、下記式1を満足することを特徴とする。
[Ca]+[Mg]≧[S]・・・式1
(式1中、[Ca]、[Mn]および[S]は、それぞれCa、MnおよびSの含有量(重量%)を示す。)
【0009】
本発明による二方向性電磁鋼板は、Sb:0.001~0.1重量%およびSn:0.001~0.1重量%のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする。
【0010】
Ti:0.01重量%以下、Mo:0.01重量%以下、Bi:0.01重量%以下、Pb:0.01重量%以下、As:0.01重量%以下、Be:0.01重量%以下、およびSr:0.01重量%以下のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする。
【0011】
{100}<001>から15°以内の方位を有する結晶粒の面積分率が60~99%であることを特徴とする。
【0012】
平均結晶粒径が鋼板の厚さの20倍以上であることを特徴とする。
【0013】
鋼板の基材の表面から基材の内部方向に形成された酸化層と、基材の表面上に形成された絶縁層とを含むことを特徴とする。
【0014】
酸化層の厚さは、5μm以下であることを特徴とする。
【0015】
絶縁層の厚さは、0.2~8μmであることを特徴とする。
【0016】
基材の表面および絶縁層の間に介在したフォルステライト層をさらに含むことを特徴とする。
【0017】
圧延方向と圧延垂直方向のBrがすべて1.63T以上であり、円周方向のBrが1.56T以上であり、Brは下記式2で計算されることを特徴とする。
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8 ・・・式2
(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【0018】
鋼板を750℃~880℃の温度で1~2時間焼鈍後に測定されたBr値が1.65T以上であり、Brは下記式2で計算されることを特徴とする。
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8 ・・・式2
(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【0019】
本発明による二方向性電磁鋼板の製造方法は、重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.02%以下(0%を除く)、C:0.05%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.0001~0.005%およびMg:0.0001~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなるスラブを製造する段階、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、冷延板を1次再結晶焼鈍する段階、および1次再結晶焼鈍された冷延板を2次再結晶焼鈍する段階を含むことを特徴とする。
【0020】
スラブは、下記式3を満足することを特徴とする。
[C]/[Si]≧0.0067・・・式3
(式3中、[C]および[Si]は、それぞれスラブ内のCおよびSiの含有量(重量%)を示す。)
【0021】
熱延板を製造する段階は、スラブを粗圧延する段階、粗圧延されたバーを加熱する段階、および加熱されたバーを仕上圧延する段階を含み、バーを加熱する段階で、1100℃以上の温度で30秒~20分間維持することを特徴とする。
【0022】
1次再結晶焼鈍する段階で、50~70℃の露点温度で脱炭する段階を含むことを特徴とする。
【0023】
1次再結晶焼鈍する段階で、窒化段階を含み、窒化量が0.01~0.03重量%であることを特徴とする。
【0024】
1次再結晶焼鈍する段階の後、1次再結晶焼鈍された鋼板の平均結晶粒の粒径が30~50μmであることを特徴とする。
【0025】
1次再結晶焼鈍する段階の後、焼鈍分離剤を塗布する段階をさらに含むことを特徴とする。
【0026】
2次再結晶焼鈍する段階の後、鋼板の表面に形成されたフォルステライト層を除去する段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0027】
本発明による二方向性電磁鋼板は、合金組成内でMg、Caの含有量を適切に制御して、圧延方向および圧延垂直方向の磁性が非常に優れている。特に、本発明による二方向性電磁鋼板は、風力発電機などの回転速度が遅い発電機に有用に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
図1】本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板の断面の模式図である。
図2】本発明の他の実施例による二方向性電磁鋼板の断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
第1、第2および第3などの用語は、多様な部分、成分、領域、層および/またはセクションを説明するために使用される。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するために使用される。ここで使用される専門用語は、実施例を言及するためのものである。単数形態は、文章がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分の存在や付加を除外するものではない。
【0030】
ある部分が他の部分の「上に」あると言及した場合、これは直に他の部分の上にあるか、その間に他の部分が伴ってもよい。ある部分が他の部分の「真上に」あると言及した場合、その間に他の部分が介在しない。他に定義しないが、ここに使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、一般に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有する。
【0031】
特に言及しない限り、%は重量%を意味し、1ppmは0.0001重量%である。本発明の一実施例において、追加元素をさらに含むとの意味は、追加元素の追加量だけ、残部の鉄(Fe)を代替して含むことを意味する。
【0032】
以下、本発明の実施例を実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
【0033】
本発明による二方向性電磁鋼板は、重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.008%以下(0%を除く)、C:0.005%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.0001~0.005%およびMg:0.0001~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなる。まず、二方向性電磁鋼板の成分限定の理由から説明する。
【0034】
Si:2.0~4.0重量%
シリコン(Si)は、熱間圧延ではオーステナイトを形成する元素で、スラブ加熱温度付近と熱延板焼鈍温度付近で10%前後のオーステナイト分率をもたせるために添加量を制限する必要がある。また、2次再結晶焼鈍では、フェライト単相であってこそ、焼鈍時に2次再結晶微細組織の形成が円滑に起こるため、フェライト単相になる成分に制限する必要がある。純鉄では2.0重量%以上添加時にフェライト単相が形成され、これにCの添加によりオーステナイト分率が調節可能なため、Si含有量の下限を2.0重量%に限定することができる。さらに、4重量%超過時、冷間圧延が困難で、飽和磁束に劣るため、これを制限する。より具体的には、Siは2.2~3.3重量%含まれる。さらに具体的には、磁束密度の高い鋼板を得るためには、Siは2.4~2.9重量%含まれる。
【0035】
Al:0.01~0.04重量%
アルミニウム(Al)は、AlNを形成して2次再結晶のインヒビターとして使用される。本発明の一実施例では、通常の方向性電磁鋼板の窒化工程以外のインヒビターの使用時にもCube集合組織を得ることができるため、Alの添加量は、通常の方向性電磁鋼板より広い範囲で制御可能である。ただし、0.01重量%未満の添加時には、鋼中の酸化物が大きく増加して磁性を劣位にし、また、2次再結晶温度を変化させてCube方位の形成を妨げるため、その下限を0.01重量%とする。0.04重量%を超えると、2次再結晶温度が大きく増加して工業的生産が困難である。さらに具体的には、Alは0.015~0.035重量%含まれる。
【0036】
S:0.0004~0.002重量%
硫黄(S)は、鋼中のCuやMnと結合してMnSを微細に形成し、微細に形成された析出物は2次再結晶を助けるため、その添加量を0.0004~0.002重量%とすることができる。Sは、過剰添加時には、Sの偏析によって2次再結晶時に鋼中のGoss分率が増加し、熱延板での析出物が制御されず、2次再結晶時の所望の集合組織が得られないことがある。さらに具体的には、Sは0.0005~0.001重量%含まれる。
【0037】
Mn:0.05~0.3重量%
マンガン(Mn)は、不可避に溶鋼に存在するものであるが、少量入ると、析出物として使用可能であり、FeSの形成後にMnSに変化する元素として鋼中に添加することができる。ただし、過度に多く添加する時には、高温焼鈍でもMnはSとの結合が強く維持されて、微細な析出物を形成するMg、CaとSの結合を妨げる。逆に、過度に少なく含まれると、2次再結晶時の集合組織の制御が困難になる。したがって、Mnは0.05~0.3重量%含まれる。さらに具体的には、Mnは0.08~0.2重量%含まれる。
【0038】
N:0.008重量%以下
窒素(N)は、AlNを形成する元素でAlNをインヒビターとして使用するので、適切な含有量を確保する必要がある。Nを過度に少なく含む時、冷間圧延時に組織の不均一変形度を十分に増加させて、1次再結晶時にCubeの成長を促進し、Gossの成長を抑制できなくなる。Nを過剰に含む時、熱延後の工程で窒素の拡散によるブリスター(blister)のような表面欠陥を誘発するだけでなく、熱延鋼板状態で過剰の窒化物が形成されるため、圧延が容易でなく、製造単価が上昇する原因になる。さらに具体的には、電磁鋼板内でのNは0.005重量%以下で含まれる。スラブ内でNは0.02重量%以下が含まれる。本発明の一実施例において、1次再結晶焼鈍時、窒化する過程が含まれているが、熱延鋼板で0.01重量%~0.02重量%添加される時には、この窒化過程を省略しても十分なインヒビターを作ることができる。2次再結晶焼鈍時に一部のNが除去されるので、スラブと最終的に製造された電磁鋼板のN含有量は異なる。
【0039】
C:0.005重量%以下
炭素(C)は、2次再結晶焼鈍後にも多量含まれると、磁気時効を起こして鉄損が大きく増加するため、上限は0.005重量%とする。より具体的には、Cを0.0001~0.005重量%含むことができる。スラブ内でCは0.05重量%以下で含まれる。これによって、熱延板内の応力集中とGoss形成を抑制することができ、析出物を微細化することができる。また、Cは、冷間圧延時に組織の不均一変形度を増加させて、1次再結晶時にCubeの成長を促進し、Gossの成長を抑制することができる。ただし、過剰添加されると、熱延板内の応力集中は解消できるものの、Goss形成を抑制できず、析出物の微細化も困難である。冷間圧延時にも冷間圧延性を大きく劣位にするため、その添加量は限界を有する。本発明の一実施例において、1次再結晶焼鈍時、脱炭する過程が含まれるので、スラブと最終的に製造された電磁鋼板のC含有量は異なる。スラブ内のCとSi含有量は、式3を満足できる。
【0040】
[C]/[Si]≧0.0067・・・式3
(式3中、[C]および[Si]は、それぞれスラブ内のCおよびSiの含有量(重量%)を示す。)
Cが過度に少なく含まれたり、Siがあまりにも過剰に含まれる場合、Cubeの成長を促進し、Gossの成長を抑制することが困難になる。さらに具体的には、式3の左辺は0.0083以上であってもよい。
【0041】
P:0.005~0.15重量%
リン(P)は、鋼の比抵抗を向上させ、2次再結晶時にCubeの分率を向上させる役割を果たし、冷間圧延時に不均一変形量も増加させるため、少なくとも0.005重量%以上は添加することが好ましい。ただし、0.15重量%超過で添加する時に冷間圧延性が極めて弱くなるため、その添加量を制限する。さらに具体的には、Pを0.01~0.08重量%含まれる。
【0042】
Ca:0.0001~0.005重量%およびMg:0.0001~0.005重量%
カルシウム(Ca)およびマグネシウム(Mg)は、すべて鋼中で反応性が非常に優れた合金元素で、微量添加時にも鋼の性質に大きな影響を及ぼす。適正量のSが添加されている鋼では、CaおよびMgがSと結合して高温で微細な硫化物を形成する。これは、低い温度でも安定しているため、このような微細な析出物が熱延板で形成されると、2次再結晶時に集合組織制御のためのインヒビターの役割を果たす。ただし、CaおよびMgを過剰添加時には、鋼中の酸素とも結合して酸化物を形成し、このような酸化物は表面欠陥、磁性不良の原因になりうる。したがって、Ca:0.0001~0.005重量%およびMg:0.0001~0.005重量%含む。さらに具体的には、Ca:0.001~0.003重量%およびMg:0.0005~0.0025重量%含む。
【0043】
本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、下記式1を満足できる。
[Ca]+[Mg]≧[S]・・・式1
(式1中、[Ca]、[Mn]および[S]は、それぞれCa、MnおよびSの含有量(重量%)を示す。)
CaとMgは、Sと結合して微細な硫化物になった時、インヒビターとしての2次再結晶への役割を果たすことができる。インヒビターの役割のためには、十分な量が適当な大きさで、分布のばらつきが少ないように位置しなければならない。Sは偏析元素であるので、CaとMgの合計よりSが多くなれば、微細な析出物が主に表面や熱延結晶粒界に分布し、これは、Cube隣接方位の2次再結晶のインヒビターとしての役割に不適になる。これに対し、CaとMgは偏析元素ではないので、鋼中に位置に関係なく均等に分布する。したがって、CaとMgの合計よりSを少なくすることが好ましい。より好ましくは、CaとMgの合計よりSが半分以下であるのが良い。つまり、[Ca]+[Mg]≧2×[S]であることが好ましい。
【0044】
Sb:0.001~0.1重量%およびSn:0.001~0.1重量%のうちの1種以上
スズ(Sn)とアンチモン(Sb)は、1次再結晶集合組織制御のために添加することが可能な元素である。また、0.001重量%以上添加すると、酸化層の形成厚さを変化して圧延垂直方向と圧延方向との磁性の差を低減する元素であるが、0.1重量%超過で添加する時には、冷間圧延時にロールでのスリップが大きく増加するので、これを制限する。さらに具体的には、Sb:0.005~0.05重量%およびSn:0.005~0.05重量%のうちの1種以上をさらに含むことができる。
【0045】
前述のように、追加元素を含む場合、残部のFeを代替して含むようになる。例えば、Sbを0.001~0.1重量%さらに含む二方向性電磁鋼板の組成は、重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.005%以下(0%を除く)、C:0.005%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.0001~0.005%、Mg:0.0001~0.005%、Sb:0.001~0.1%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなる。
【0046】
本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、Ti:0.01重量%以下、Mo:0.01重量%以下、Bi:0.01重量%以下、Pb:0.01重量%以下、As:0.01重量%以下、Be:0.01重量%以下、およびSr:0.01重量%以下のうちの1種以上をさらに含むことができる。
【0047】
チタン(Ti)は、TiSiCNなどの複合析出物を形成したり酸化物を形成する元素であって0.01重量%以下で添加することが好ましい。また、高温で安定した析出物と酸化物は2次再結晶を妨げるため、その添加量を0.01重量%以下とする必要がある。ただし、完全に除去することは、通常の製鋼工程では極めて難しい。さらに具体的には、Tiを0.005重量%以下で含むことができる。モリブデン(Mo)は、粒界に偏析元素として追加添加時に電磁鋼板でのSiによる粒界脆化を抑制する効果があるのに対し、Cと結合してMo炭化物などの析出物を形成して磁性に悪影響を与えるため、0.01重量%以下に制限する必要がある。ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、マグネシウム(Mg)、砒素(As)、ベリリウム(Be)およびストロンチウム(Sr)は、鋼中に酸化物、窒化物、炭化物が微細に形成される元素で2次再結晶に役立つ元素であり、追加添加することができる。ただし、0.01重量%超過で添加する時には2次再結晶の形成が不安定になる問題を引き起こすため、その添加量を制限する必要がある。また、本発明の二方向性電磁鋼板は、前述した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の作用効果を阻害しない範囲内であれば、他の元素の含有を排除するものではない。
【0048】
このように、本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、合金組成を精密に制御して、キューブ集合組織を多数形成させる。具体的には、{100}<001>から15°以内の方位を有する結晶粒の面積分率が60~99%であってもよい。この時、99%を超えるのは、2次再結晶中に不可避に形成されるIsland grainの形成を抑制し、また、析出物を完全に除去することを意味するが、このためには、高温での焼鈍時間が大きく増加するため、これを60~99%に限定する。
【0049】
本発明の一実施例において、電磁鋼板の結晶粒径が板の厚さに20倍超過である。本発明は、2次再結晶を用いるが、2次再結晶の結晶粒径は、板の厚さに比べて20倍を超える方が、所望の方位を得るのに有利である。結晶粒径は、鋼板の圧延面(ND面)と平行な面を基準として測定することができ、結晶粒と同一の面積を有する仮想の円を仮定して、その円の直径を意味する。
【0050】
図1は、本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板100の断面の模式図である。図1に示すように、鋼板の基材10の表面から基材10の内部方向に形成された酸化層11と、鋼板の表面上に形成された絶縁層30とを含むことができる。この時、鋼板の基材10表面とは、鋼板の一面または両面(上面および下面)を意味することができる。
【0051】
酸化層11は、基材の内部に酸素が侵入して形成される。具体的には、前述した鋼板の組成に加えて、酸素(O)を10重量%以上含むことができる。酸素含有量の面において基材10と酸化層11とは区別可能である。酸化層11は5μm以下の厚さに存在することができる。酸化層11が過度に厚く存在する場合、鋼中の酸素分率によってCube結晶粒の成長が抑制されて、Cube分率が低くなり、窮極的に磁性が劣化する。さらに具体的には、酸化層11の厚さは、0.01~2.5μmであってもよい。
【0052】
基材10の表面上には絶縁層30が形成される。絶縁層30は、絶縁性の確保に役立つ。絶縁層30は、有機または無機コーティング組成物から形成され、場合によっては、有機-無機複合コーティング組成物から形成されてもよい。絶縁層30の厚さは、0.2~8μmであってもよい。厚さが薄すぎる場合、要求される絶縁特性を満たすことが困難である。厚さが厚すぎる場合、表面磁化時に磁区の移動が困難になる理由から磁化が容易にならないため、窮極的に磁性が劣化しうる。絶縁層30が基材10の両面に形成される場合、両面に形成された絶縁層30それぞれが前述した厚さ範囲を満足できる。さらに具体的には、絶縁層30の厚さは、0.4~5μmであってもよい。
【0053】
図2は、本発明の他の実施例による二方向性電磁鋼板100の断面の模式図を示す。図2に示すように、本発明の一実施例において、基材10の表面および絶縁層30の間に介在したフォルステライト層20をさらに含むことができる。方向性電磁鋼板は、圧延方向に張力を付与するために、フォルステライト(MgSiO)を含む酸化層を表面から2~3μmの厚さに形成し、これと母材との熱膨張係数の差を用いて張力を付与する。しかし、本発明の一実施例の場合、圧延方向への張力は、つまり、圧延垂直方向への圧縮を意味するので、これを大きく縮小させることが好ましい。2.0μm以内の薄いフォルステライト層20は張力付与効果に大きく劣るので、このような薄いフォルステライト層20を形成して板全体にかかる張力を除去することができる。フォルステライト層20は、2次再結晶焼鈍前に塗布した焼鈍分離剤から形成される。焼鈍分離剤はMgOを主成分として含み、これについては広く知られている通りであるので、詳しい説明は省略する。
【0054】
2次再結晶焼鈍後、フォルステライト層20が除去可能であり、この場合、図1に示すように、基材10の表面上に直ちに絶縁層30が形成される。本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板は、圧延方向と圧延垂直方向の磁性がすべて優れている。具体的には、圧延方向と圧延垂直方向のBrがすべて1.63T以上であり、円周方向のBrが1.56T以上であり、Brは下記式2で計算される。
【0055】
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8・・・式2
(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【0056】
大型発電機の場合、環状フレームの直径が数メートルであり、T字状の歯(Teeth)で電磁鋼板を切断して環状フレームを形成する。この時、T字状のTeeth部位を圧延垂直方向とし、環状のフレームに圧延方向をおいたり、逆に、T字状のTeeth部位を圧延方向とし、環状のフレームに圧延垂直方向をおくことができる。このような設計の変更は、Teethの長さと環状フレームの直径の長さ、また、環状フレームの幅によって決定される。通常、Teeth部位は、発電機の稼働時に大きな磁束が流れる部位であり、このような磁束が環状部位に抜け出る。この時の発生するエネルギーを考慮して、圧延方向と圧延垂直方向をTeeth部とするか、環状部位とするかを決定するようになるが、Brがすべて1.63T以上と非常に高い磁束密度を有する材料の場合、このような圧延方向と圧延垂直方向がどの部位に使用されるかを区分する必要なく、どちらにしても非常に高いエネルギー効率を有するようになる。また、円周方向のBrの磁束密度が1.56T以上と高くなると、T字のTeeth部位と環状フレームの連結部位での磁束によるエネルギー損失が著しく減少する。これによって、発電機の効率を向上させたり、環状フレームの幅とTeeth部位の大きさを減少させて、小さいサイズのコアでも高い効率の発電機を作ることができる。
【0057】
電磁鋼板を750℃~880℃の温度で1~2時間焼鈍後に測定されたBr値が1.65T以上であってもよい。
Br=7.87/(7.87-0.065×[Si]-0.1105×[Al])×B8・・・式2
(式2中、[Si]および[Al]は、それぞれSiおよびAlの含有量(重量%)を示す。B8は、800A/mで誘起した時に誘導される磁場の強度(Tesla)を示す。)
【0058】
本発明の一実施例による二方向性電磁鋼板の製造方法は、重量%で、Si:2.0~4.0%、Al:0.01~0.04%、S:0.0004~0.002%、Mn:0.05~0.3%、N:0.02%以下(0%を除く)、C:0.05%以下(0%を除く)、P:0.005~0.15%、Ca:0.0001~0.005%およびMg:0.0001~0.005%を含み、残部はFeおよびその他の不可避不純物からなるスラブを製造する段階、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、冷延板を1次再結晶焼鈍する段階、および1次再結晶焼鈍された冷延板を2次再結晶焼鈍する段階を含む。
【0059】
以下、各段階別に具体的に説明する。
まず、スラブを製造する。スラブ内の各組成の添加比率を限定した理由は、前述した二方向性電磁鋼板の組成限定の理由と同一であるので、繰り返される説明を省略する。後述する熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、1次再結晶焼鈍、2次再結晶焼鈍などの製造過程でC、N以外のスラブの組成は実質的に変動しないので、スラブの組成と二方向性電磁鋼板の組成が実質的に同一である。
【0060】
スラブは、下記式3を満足できる。
[C]/[Si]≧0.0067・・・式3
(式3中、[C]および[Si]は、それぞれスラブ内のCおよびSiの含有量(重量%)を示す。)
Cが過度に少なく含まれたり、Siがあまりにも過剰に含まれる場合、Cubeの成長を促進し、Gossの成長を抑制することが困難になる。さらに具体的には、式3の左辺は0.0083以上であってもよい。スラブは、薄物スラブ法またはストリップキャスティング法を利用して製造することができる。スラブの厚さは、200~300mmになってもよい。スラブは必要に応じて加熱することができる。
【0061】
次に、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する。
熱延板を製造する段階で、スラブを粗圧延する段階、粗圧延されたバーを加熱する段階、および加熱されたバーを仕上圧延する段階を含み、加熱する段階で、1100℃以上の温度で0.5~20分間維持できる。0.5分未満となれば、熱延板の結晶粒径を適切に確保できず、後続の圧延のために均一な微細組織が得られない。これに対し、10分超過となれば、表面と大気中の酸素とが反応して酸化層が形成され、微細な硫化物がMgやCaと反応して形成されず、MgOやCaOが表面に近いBarの内部に生じることがあって、圧延垂直方向での磁性を適切に確保できない。
【0062】
熱間圧延終了温度は950℃以下になってもよい。熱間圧延終了温度が低いことによって、熱延板内部の延伸されたCube方位を有する結晶粒がより多いエネルギーを蓄積し、これによって熱延板焼鈍時にCubeの分率が増加できる。熱延板の厚さは、1~2mmになってもよい。スラブを製造する段階の後、熱延板を製造する段階までにおいて、1100℃以上である時間が10分以内であってもよい。熱延板を製造する段階の後、熱延板を焼鈍する段階をさらに含むことができる。熱延板を焼鈍する段階の焼鈍温度は1000~1200℃であってもよい。
【0063】
次に、熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する。冷延板を製造する段階で、圧下率が50~70%であってもよい。圧下率が高すぎる時、GOSS結晶が多数形成される問題がある。圧下率が低すぎる時、最終的に製造される鋼板の厚さが厚くなる問題がある。1次再結晶焼鈍する段階で、50~70℃の露点温度で脱炭する段階を含むことができる。炭素は2次再結晶焼鈍後にも多量含まれると、磁気時効を起こして鉄損が大きく増加しうるため、1次再結晶焼鈍する段階で脱炭を経て炭素を一部除去することができる。50℃~70℃の露点温度および水素および窒素混合雰囲気で行われる。
【0064】
1次再結晶焼鈍する段階で、窒化量が0.01~0.03重量%であってもよい。窒化量が適切に確保されない場合、2次再結晶が円滑に形成されず、磁性が劣化する問題が発生しうる。脱炭および窒化は、同時にまたは順次に行われる。順次に行われる場合、脱炭後、窒化されるか、窒化後に脱炭することができる。1次再結晶焼鈍する段階の後、1次再結晶焼鈍された鋼板の平均結晶粒の粒径が30~50μmであってもよい。1次再結晶焼鈍された鋼板の平均結晶粒の粒径を適切に確保できない場合、2次再結晶が円滑に形成されず、磁性が劣化する問題が発生しうる。1次再結晶焼鈍は、800~900℃の温度範囲で実施できる。1次再結晶焼鈍する段階の後、MgOを含む焼鈍分離剤を塗布する段階をさらに含むことができる。焼鈍分離剤の塗布によって形成されるフォルステライト層については前述したものと同一であるので、重複する説明は省略する。
【0065】
2次再結晶焼鈍は、適正な昇温率で昇温して{100}<001>Cube方位の2次再結晶を起こし、後の不純物除去過程である純化焼鈍を経てから冷却する。その過程で、焼鈍雰囲気ガスは、通常の場合と同じく、昇温過程では水素と窒素との混合ガスを用いて熱処理し、純化焼鈍では100%水素ガスを用いて長時間維持して不純物を除去する。2次再結晶焼鈍の温度は1000~1300℃になり、時間は10~25時間になってもよい。本発明の一実施例において、フォルステライト層は、前述のように、薄かったり、除去されることが有利であり得る。したがって、2次再結晶焼鈍後、鋼板の表面に形成されたフォルステライト層を除去する段階をさらに含むことができる。除去方法は、物理的または化学的方法を使用することができる。
【0066】
以下、本発明の好ましい実施例および比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
【0067】
実験例1
表1および表2に示す成分および残部がFeおよび不可避不純物からなるスラブを製造し、1200℃で加熱後に熱間圧延して1.4mmの厚さの熱延コイルを製造した。熱延途中に1100℃で3分間維持した。以後、1100℃~1140℃で30秒間焼鈍し、900℃で90秒間焼鈍後に急冷した熱延焼鈍板を圧下率63%まで冷間圧延する。冷間圧延した板は0.02重量%で窒化し、同時に露点60℃、水素75体積%の雰囲気で脱炭する1次再結晶焼鈍工程を経て、結晶粒径を36μmとなるようにした。以後、MgO成分を含む焼鈍分離剤を塗布した後に、時間あたり20℃の昇温速度で1200℃まで昇温した後、20時間2次再結晶焼鈍を実施した。冷却された板は、MgO焼鈍分離剤を除去した後に、上面および下面に0.4μmの厚さの絶縁コーティングを実施し、磁性を測定して、表3にまとめた。磁性の測定後に、800℃で2時間焼鈍後に磁性を再測定した結果を、表3に示した。
【0068】
【表1】
【0069】
【表2】
【0070】
【表3】
【0071】
表1~表3に示すように、本発明の合金組成を満足する発明例は、平均結晶粒径が大きく、Cube分率が高くて、磁性に優れていることを確認できる。これに対し、本発明の合金組成を満足していない比較例は、平均結晶粒が小さく、Cube分率が低く、磁性が劣位であることを確認できる。
【0072】
実験例2
実施例1のA1試験片を焼鈍分離剤を除去せずに、下記表4のように、上面絶縁コーティングおよび下面絶縁コーティングを形成して、磁性を測定して、下記表4にまとめた。
【0073】
【表4】
【0074】
表4に示すように、上面および下面絶縁層の厚さ範囲を満足するB1-B4は、磁性に優れていることを確認できる。これに対し、上面および下面絶縁層の厚さ範囲を満足していないB5、B6は、圧延垂直方向の磁性が一部劣化することを確認できる。
【0075】
実験例3
重量%で、Si:2.8%、Al:0.027%、S:0.0007%、Mn:0.15%、N:0.003%、C:0.028%、P:0.04%、Ca:0.002%、Mg:0.001%を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなるスラブを製造した。スラブを1150℃で加熱後に熱間圧延して1.4mmの厚さの熱延コイルを製造した。熱間圧延時に1100℃以上での滞留時間を下記表5のように調節した。熱延コイルを1140℃で90秒間焼鈍した後に冷却し、熱延焼鈍板を圧下率63%まで冷間圧延した。冷間圧延した板は0.02wt%で窒化し、露点60℃、水素75%の雰囲気で脱炭する1次再結晶焼鈍工程を経て、結晶粒径を下記表5の通りにした。以後、MgO成分を含む焼鈍分離剤を塗布した後に、時間あたり20℃の昇温速度で1200℃まで昇温した後、20時間2次再結晶焼鈍を実施した。上面および下面に0.4μmの厚さの絶縁コーティングを実施し、磁性を測定して、表5にまとめた。
【0076】
【表5】
【0077】
表5に示すように、熱間圧延時、1100℃以上の滞留時間を適切に確保したC1-C3は、酸化層の厚さが適切に形成され、磁性に優れていることを確認できる。これに対し、1100℃以上の滞留時間が長すぎるC4、C5は、酸化層の厚さが過度に厚く形成され、磁性が比較的劣位であることを確認できる。
【0078】
本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造可能である。そのため、以上に述べた実施例はあらゆる面で例示的なものであり、限定的ではない。
【符号の説明】
【0079】
100 二方向性電磁鋼板、
10 鋼板基材、
11 酸化層、
20 フォルステライト層
30 絶縁層
図1
図2