无方向性电磁钢板及其制造方法与流程

本发明涉及适于HEV、EV的驱动电机等以较高的速度旋转的电机的铁芯材料的无方向性电磁钢板及其制造方法。

背景技术：

无方向性电磁钢板是用作电机或变压器的铁芯的材料，从提高这些电气设备的效率的观点考虑，要求低铁损。为了降低铁损，有效的是固有电阻的增加、薄板化，但存在如下问题，即，在增加固有电阻时合金成本增加，在薄板化时轧制、退火的成本增加，而期望确立新的铁损降低方法。

作为固有电阻的增加、薄板化以外的铁损降低方法，已知在方向性电磁钢板中，通过除去镁橄榄石被膜，使表面平滑化，从而降低磁滞损耗。这是因为表面的凹凸减少而磁畴壁容易移动。专利文献1中提出了如下技术：将最终退火前的钢板的表面粗糙度以算术平均粗糙度Ra计设为0.3μm以下，使用氧化铝系的分离剂作为退火分离剂。

与此相对，认为无方向性电磁钢板中表面粗糙度对铁损造成的影响小。作为降低无方向性电磁钢板的表面粗糙度的技术，提出了专利文献2、3。专利文献2中记载了通过将钢板表面的Ra设为0.5μm以下而抑制了占空系数的降低的无方向性电磁钢板。专利文献3中记载了通过含有1.5质量％～20质量％的Cr，且将钢板表面的Ra设为0.5μm以下，从而降低了高频下的铁损的无方向性电磁钢板。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-228117号公报

专利文献2：日本特开2001-192788号公报

专利文献3：日本特开2001-279403号公报

技术实现要素：

然而，专利文献1中提出的技术是关于方向性电磁钢板的技术，并没有对降低无方向性电磁钢板的铁损进行任何启示。另外，专利文献2中记载的技术虽然是关于无方向性电磁钢板，但目的在于改善占空系数，并不旨在降低铁损。专利文献3中提出的技术旨在降低无方向性电磁钢板的高频铁损，但要求进一步降低铁损。

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供比以往进一步降低了铁损的无方向性电磁钢板及其制造方法。

本发明的发明人等对表面凹凸的影响进行如下考察，得到了关于控制表面粗糙度的新的构思。即，在对表面具有凹凸的钢板外加外部磁场而使磁畴壁移动的情况下，表面的静磁能相应于磁畴壁的移动而增加，因而磁畴壁受到复原力。该复原力不仅受到凹凸的深度的影响，还应该受到凹凸的波长的影响。即，认为在具有在比磁畴壁的移动距离大的波长下变化的凹凸时，即使磁畴壁移动，静磁能的变化也小，因而磁畴壁所受到的复原力也小。反过来，在具有在比磁畴壁的移动距离小的波长下变化的凹凸(即细小的凹凸)时，对磁畴壁施加大的复原力。

方向性电磁钢板的晶粒直径为10mm左右，磁畴宽度为1mm左右，因此磁畴壁的移动距离为1mm左右。与此相对，无方向性电磁钢板的晶粒直径为100μm左右，磁畴宽度、磁畴壁的移动距离均非常小，为10μm左右。因此，本发明的发明人等认为，为了降低无方向性电磁钢板的铁损，需要对在几十μm左右的截止波长下去除了长波长侧的起伏而得的微小凹凸进行评价，并减小该微小凹凸。以下，将该微小凹凸也称为“微粗糙度”。

专利文献1中记载了对方向性电磁钢板减小钢板表面的Ra，专利文献2、3中记载了对无方向性电磁钢板减小钢板表面的Ra。但是，截止波长不明确，且未着眼于如上述的微粗糙度。本发明的发明人等关注的是比磁畴壁的移动距离小的波长的微粗糙度，技术思想与现有技术在根本上不同。

基于上述构思，本发明人等进行了深入研究，其结果可知，若以通常的制法将无方向性电磁钢板的板厚设为小于0.30mm，则磁滞损耗增加，此外，若降低微粗糙度，则抑制该磁滞损耗的增加，从而完成了本发明。

解决上述课题的本发明的主旨构成如下。

(1)一种无方向性电磁钢板，其特征在于，具有如下成分组成：

以质量％计含有

C：0.05％以下、

Si：0.1％～7.0％、

Al：0.1％～3.0％、

Mn：0.03％～3.0％、

P：0.2％以下、

S：0.005％以下、

N：0.005％以下、以及

O：0.01％以下，

剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且

板厚小于0.30mm，

截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以下。

(2)根据上述(1)所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，上述成分组成以质量％计含有合计为0.01％～0.2％的Sn和Sb中的1种或2种。

(3)根据上述(1)或(2)所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，上述成分组成以质量％计含有合计为0.0005％～0.010％的Ca、Mg和REM中的1种或2种以上。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，上述成分组成以质量％计含有Cr：0.1％～20％。

(5)根据上述(1)～(4)中任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，上述成分组成以质量％计含有合计为0.01％～1.0％的Ti、Nb、V及Zr中的1种或2种以上。

(6)一种无方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，包括如下工序：

对具有上述(1)～(5)中任一项所述的成分组成的钢坯进行加热；

对该钢坯进行热轧而制成热轧钢板；

对该热轧钢板实施或不实施热轧板退火；

对上述热轧钢板实施1次冷轧或隔着中间退火的2次以上的冷轧而制成板厚小于0.30mm的冷轧钢板；

对该冷轧钢板实施最终退火，

将最后的冷轧的最终道次的轧制辊表面的在截止波长λc＝20μm下的算术平均粗糙度Ra制成0.2μm以下。

根据本发明的无方向性电磁钢板，通过降低基体钢表面的微粗糙度，可以不会对钢成分施加大的限制地降低铁损。另外，根据本发明的无方向性电磁钢板的制造方法，可有利地制造降低基体钢表面的微粗糙度而降低铁损的无方向性电磁钢板。

附图说明

图1是表示各种板厚下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra(截止波长λc＝20μm)与磁滞损耗Wh10/50的关系的图。

具体实施方式

(无方向性电磁钢板)

以下，对本发明的一个实施方式的无方向性电磁钢板进行说明。首先，对钢的成分组成的限定理由进行叙述。应予说明，本说明书中，表示各成分元素的含量的“％”意味着“质量％”。

C：0.05％以下

C可用于钢的强度提升。若C含量大于0.05％，则加工变得困难，因此将C含量的上限设为0.05％。在不用于强度提升的情况下，为了抑制磁时效，优选降低至0.005％以下。

Si：0.1％～7.0％

Si具有通过添加0.1％以上而使钢的电阻率增加而且降低铁损的效果。但是，若添加大于7.0％则铁损反而会变差。因此，Si含量的范围设为0.1％～7.0％。从铁损与加工性的平衡的观点考虑，更优选的范围为1.0％～5.0％。

Al：0.1％～3.0％

Al具有通过添加0.1％以上而使钢的电阻率增加而且降低铁损的效果。但是，若添加大于3.0％则铸造变得困难。因此，Al含量设为0.1％～3.0％。进一步优选的范围为0.3％～1.5％。

Mn：0.03％～3.0％

Mn通过添加0.03％以上可防止钢的热脆性。另外，也具有使电阻率增加而降低铁损的效果。若添加大于3.0％则铁损反而会增加，因此Mn含量的范围设为0.03％～3.0％。更优选的范围为0.1％～2.0％。

P：0.2％以下

P可用于钢的强化。但是，若添加大于0.2％则钢会脆化而加工变得困难。因此，P含量设为0.2％以下。进一步优选的范围为0.01％～0.1％。

S：0.005％以下

若S含量大于0.005％，则MnS等析出物增加，晶粒生长性劣化。因此，S含量的上限设为0.005％。进一步优选的范围为0.003％以下。

N：0.005％以下

若N含量大于0.005％，则AlN等析出物增加，晶粒生长性劣化。因此，N含量的上限设为0.005％。进一步优选的范围为0.003％以下。

O：0.01％以下

若O含量大于0.01％，则氧化物增加，晶粒生长性劣化。因此，O含量的上限设为0.01％。进一步优选的范围为0.005％以下。

除上述成分以外，也可以添加以下成分。

Sn、Sb：合计为0.01％～0.2％

Sn、Sb具有通过添加0.01％以上而减少再结晶集合组织的[111]晶粒且提高磁通密度的效果。另外，也具有利用最终退火、去应力退火防止氮化·氧化，且抑制铁损的增加的效果。即使添加大于0.2％，效果也饱和，因此Sn、Sb合计含量的范围设为0.01％～0.2％。进一步优选的范围为0.02％～0.1％。

Ca、Mg、REM：合计为0.0005％～0.010％

Ca、Mg、REM具有通过添加0.0005％以上而使硫化物粗大化而改善晶粒生长性的效果。若添加大于0.010％则晶粒生长性反而会变差，因此Ca、Mg、REM合计含量的范围设为0.0005％～0.010％。进一步优选的范围为0.001％～0.005％。

Cr：0.1％～20％

Cr具有通过添加0.1％以上而使钢的电阻率增加而降低铁损的效果。由于钢的硬度小，因此可大量添加，但若添加大于20％则脱碳变得困难，碳化物析出而使铁损劣化。因此，Cr含量设为0.1％～20％。进一步优选的范围为1.0％～10％。

Ti、Nb、V、Zr：合计为0.01％～1.0％

Ti、Nb、V、Zr是碳化物·氮化物形成元素，通过添加0.01％以上，可使钢的强度上升。即使添加大于1.0％，效果也会饱和，因此Ti、Nb、V、Zr合计含量设为0.01％～1.0％。进一步优选的范围为0.1％～0.5％。在不用于强度上升的情况下，为了改善晶粒生长性，优选降低至0.005％以下。

上述元素以外的剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

对于本实施方式的无方向性电磁钢板，重要的是在截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以下。如此，通过降低比磁畴壁的移动距离小的波长的微小的凹凸，可降低磁滞损耗。更优选的范围为0.1μm以下。

本发明中，表面粗糙度的测定按照JIS B 0601、JIS B 0632、JIS B 0633、JIS B 0651所记载的内容来进行。由于在基体钢表面进行测定，因而在涂布有涂层的情况下，利用沸腾碱等进行去除。对于用于表面粗糙度的测定的测定机，选择可准确地检测出波长数μm以下的微粗糙度的测定机。通常的触针式表面粗糙度计的触针前端的半径为几μm，因此不适合于检测微粗糙度。因此，本发明中，使用三维扫描电子显微镜来测定算术平均粗糙度Ra。为了检测微粗糙度，基准长度和截止波长(截止值)λc设为20μm。截止比λc/λs没有特别指定，优选设为100以上，本发明中设为100来进行测定。测定方向设为轧制方向和轧制直角方向，分别进行3次测定，使用其平均值。

与此相对，例如利用通常的触针式表面粗糙度计得到的宏观粗糙度不会对磁特性造成影响，因而没有特别限定。从提高占空系数的观点考虑，优选将截止波长λc＝0.8mm、截止比λc/λs＝300下得到的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra设为0.5μm以下。

本实施方式中，板厚设为小于0.30mm。这是因为，在板厚小于0.30mm的情况下，可得到由截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以下所致的铁损的降低效果。板厚优选设为0.25mm以下，更优选设为0.15mm以下。另外，若板厚小于0.05mm，则制造成本变高，因此优选设为0.05mm以上。

(无方向性电磁钢板的制造方法)

接下来，对本发明的一个实施方式的无方向性电磁钢板的制造方法进行说明。可以通过通常的铸锭-开坯法、连续铸造法由调整为上述成分组成的钢水制造钢坯，也可以直接用铸造法制造100mm以下厚度的薄铸片。

接着，通过通常的方法对钢坯进行加热而供于热轧，制成热轧钢板。

接着，根据需要对热轧钢板实施热轧板退火。热轧板退火的目的是为了防止起皱、提高磁通密度，在不必要的情况下也可省略。在使用连续退火设备的情况下，优选设为900～1100℃×1～300sec，在使用间歇退火设备的情况下，优选设为700～900℃×10～600min的条件。

其后，在对热轧钢板实施酸洗之后，实施1次冷轧或隔着中间退火的2次以上的冷轧，而精加工成最终板厚的冷轧钢板。最终板厚设为小于0.30mm。

将基体钢表面的截止波长λc＝20μm下的算术平均粗糙度Ra设为0.2μm以下的优选的方法是对最后的冷轧的最终道次的轧制辊的表面粗糙度进行调整。在本实施方式中，将最后的冷轧的最终道次的轧制辊表面的算术平均粗糙度Ra在截止波长λc＝20μm下设为0.2μm以下。为了将辊表面高效地转印至钢，优选为最终道次至少为干式轧制。由此，能够使冷轧钢板的表面平滑化。应予说明，在冷轧中未使基体钢表面平滑化的情况下，也可以在冷轧后或最终退火后，追加化学研磨、电解研磨等工序，而将基体钢表面的截止波长λc＝20μm下的算术平均粗糙度Ra设为0.2μm以下。但是，从制造成本的观点考虑，优选在冷轧时使基体钢表面平滑化。

在最终冷轧后，对冷轧钢板实施最终退火。若在最终退火中将钢板表面氧化·氮化，则磁特性会大幅度劣化。因此，为了防止氧化，优选将退火气氛设为还原性。例如，优选使用含有5％以上的H2浓度的N2-H2混合气氛，降低露点而将PH2O/PH2控制为0.05以下。为了防止氮化，优选将炉内气氛的N2分压设为95％以下，更优选的范围为85％以下。另外，添加合计为0.01％～0.2％的Sn、Sb中的1种或2种到钢中对抑制氧化·氮化尤其有效。退火条件优选为700～1100℃×1～300sec。在重视铁损的情况下，只要提高退火温度即可，在重视强度的情况下，只要降低退火温度即可。

最终退火后，根据需要对钢板表面施加绝缘涂层而制成制品板(无方向性电磁钢板)。绝缘涂层可以使用公知的涂层，也可以根据目的分开使用无机涂层、有机涂层、无机-有机混合涂层等。

其他制造条件只要根据无方向性电磁钢板的通常制造方法即可。

实施例

(实施例1)

对含有C：0.0022％、Si：3.25％、Al：0.60％、Mn：0.27％、P：0.02％、S：0.0018％、N：0.0021％、O：0.0024％、Sn：0.06％，且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯进行熔炼，在1130℃加热30分钟后，进行热轧，得到热轧钢板。对该热轧钢板进行1000℃×30sec的热轧板退火，进一步进行冷轧，精加工成板厚0.15～0.30mm的冷轧钢板。对所得的冷轧钢板在H2：N2＝30：70、露点-50℃的气氛中进行1000℃×10sec的最终退火，涂布绝缘涂层而制成制品板。

在此，通过调整冷轧的最终道次的轧制辊的表面粗糙度，从而变更制品板的基体钢表面的微粗糙度。从所得的制品板上提取280mm×30mm的试验片，通过爱泼斯坦试验进行直流磁性测定，并测定Bm＝1.0T、f＝50Hz的磁滞损耗Wh10/50。另外，在用沸腾碱去除了制品板的绝缘涂层后，使用Elionix制的3D-SEM(ERA-8800FE)，以加速电压5kV进行100μm×100μm的表面形状测定，在已述的条件下测定截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra。将结果示于图1。在满足本发明的范围内，得到磁滞损耗低的结果。应予说明，冷轧的最终道次的轧制辊表面的在截止波长λc＝20μm下的Ra设为0.2μm以下的情况下，基体钢表面的算术平均粗糙度Ra为0.2μm以下。

(实施例2)

对含有表1所示的成分且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯进行熔炼，以1100℃加热30分钟后，进行热轧，得到热轧钢板。对该热轧钢板进行980℃×30sec的热轧板退火，进一步进行冷轧，精加工成板厚0.15mm的冷轧钢板。对所得的冷轧钢板在H2：N2＝20：80、露点-40℃的气氛中进行980℃×10sec的最终退火，涂布绝缘涂层而形成制品板。

在此，通过调整冷轧的最终道次的轧制辊的表面粗糙度，并进行干式轧制，从而变更制品板的基体钢表面的微粗糙度。对于No.2，将轧制温度设为300℃，进一步使微粗糙度发生变化。从所得的制品板上提取280mm×30mm的试验片，通过爱泼斯坦试验进行直流磁性测定，并测定Bm＝1.0T、f＝400Hz的磁滞损耗Wh10/400。另外，在用沸腾碱去除制品板的绝缘涂层后，使用Elionix制的3D-SEM(ERA-8800FE)，以加速电压5kV进行100μm×100μm的表面形状测定，在已述的条件下测定在截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra。另外，冷轧的最终道次的轧制辊的表面的算术平均粗糙度Ra也用同样的方法测定。进而，使用触针的前端半径：2μm的触针式粗度计(东京精密株式会社制)，以扫描速度：0.5mm/s、截止波长：0.8mm测定基体钢表面的算术平均粗糙度Ra。

将结果示于表1。在满足本发明的范围内，得到磁滞损耗低的结果。尤其是即使在通过设为截止波长λc＝0.8mm的现有的通常的测定方法测定的基体钢表面的Ra为0.2μm以下的情况下，在本发明所规定的截止波长λc＝20μm下的Ra大于0.2μm时，也是磁滞损耗高的结果。

(实施例3)

对含有表2所示的成分、且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯进行熔炼，在1100℃加热30分钟后，进行热轧，得到热轧钢板。对该热轧钢板进行1000℃×120sec的热轧板退火，对No.1进行冷轧直至为0.15mm，对No.2～12进行冷轧直至为0.17mm，然后在HF+H2O2水溶液中进行化学研磨直至为0.15mm，分别精加工成板厚0.15mm的冷轧钢板。对所得的冷轧钢板在H2：N2＝30：70、露点-50℃的气氛中进行1000℃×30sec的最终退火，涂布绝缘涂层而制成制品板。

从所得的制品板上提取280mm×30mm的试验片，通过爱泼斯坦试验进行直流磁性测定，测定Bm＝1.0T、f＝400Hz的磁滞损耗Wh10/400。另外，用沸腾碱去除制品板的绝缘涂层后，使用Elionix制的3D-SEM(ERA-8800FE)，以加速电压5kV进行100μm×100μm的表面形状测定，在已述的条件下测定在截止波长λc＝20μm下的基体钢表面的算术平均粗糙度Ra。进而，使用触针的前端半径：2μm的触针式粗度计(东京精密株式会社制)，以扫描速度：0.5mm/s、截止波长：0.8mm测定基体钢表面的算术平均粗糙度Ra。

将结果示于表2。进行化学研磨处理时，通过设为截止波长λc＝0.8mm的现有的通常测定方法测定的基体钢表面的Ra为0.2μm以上，但在本发明所规定的截止波长λc＝20μm下的Ra为0.2μm以下的情况下，为磁滞损耗低的结果。

产业上的可利用性

根据本发明的无方向性电磁钢板，通过降低基体钢表面的微粗糙度，可以不对钢成分施加大的限制而降低铁损。该效果是通过与固有电阻的增加和薄板化不同的原理而得到的，因此通过与这些方法并用，能够进一步降低铁损。