低碳鋼板及其制造方法

專利名稱：低碳鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及適合用作電力電子技術用高頻變壓器、扼流圈、馬達的鐵芯的低碳鋼板，尤其涉及可實現高頻特性的提高以及外部應力導致的鐵損劣化的降低的低碳鋼板。
背景技術：
電磁鋼板的鐵損由十分依賴鋼中的析出物、結晶粒徑、集合組織等的磁滯損耗和十分依賴板厚、電阻率、磁疇結構等的渦流損耗構成。一般的電磁鋼板是通過極力減少鋼中雜質而提高晶粒的生長性來實現磁滯損耗的降低化。另外，通過添加0. 5 3. 5質量％的Si提高電阻率或者將板厚薄片化來實現渦流損耗的降低化。 其中，磁滯損耗與頻率成比例、渦流損耗與頻率的平方成比例，因此在商用頻率(50/60Hz)中，電磁鋼板的鐵損中磁滯損耗所占比例大，但達到數kHz以上的高頻時，反而渦流損耗所占比例變大。近年來，在電力電子技術領域中正在推進開關元件的高頻化，因此對于作為變壓器、扼流圈、馬達等的鐵芯材料使用的電磁鋼板也強烈希望高頻鐵損的降低。針對該需要,可以通過使電磁鋼板的板厚為0. 2mm以下、或者使Si提高至4質量％附近，從而降低渦流損耗。但是，預計今后還會以超過IOkHz的高頻進行驅動，需要開發以往開發的延長線上所沒有的革新性的材料。以往，在這樣的高頻區域的勵磁條件下，已使用軟磁鐵氧體、金屬壓粉體、非結晶等材料。但是，它們各有長短，即，鐵氧體由于磁通密度低而鐵心大型化，非結晶雖然低鐵損但結構系數(Building Factor)明顯差于電磁鋼板，另外鐵硅鋁磁合金粉等金屬壓粉體的磁致伸縮、鐵損均低但昂貴且與電磁鋼板相比飽和磁通密度也低等。因此，關于電磁鋼板的高頻鐵損的降低，最近也在進行各種研究。作為降低電磁鋼板的高頻鐵損的方法，專利文獻I中記載了利用滲硅法的鋼板表面的Si富集方法。該Si富集技術例如專利文獻2中所記載，是使板厚0. I 0. 35mm的3質量％Si鋼板在高溫中與四氯化硅氣體反應而提高鋼中的Si濃度的工藝。另外，正如早已知道的那樣，6. 5質量％Si鋼板具有3質量％Si鋼板的約2倍的固有電阻，可以有效降低渦流損耗，因此作為高頻用材料而有利，同時磁致伸縮實質上為零，因此對鐵心的低噪音化發揮優異的效果。專利文獻2中進一步公開了在滲硅工藝中，從縮短擴散時間的觀點考慮，即使不使Si濃度在板厚方向均勻，也能夠通過調整表層Si濃度而得到充分的磁特性。在專利文獻3中，關于在板厚方向具有Si濃度梯度的硅鋼板，為了降低高頻鐵損，對板厚方向的Si濃度差(最大-最小)、與表層Si濃度和鋼板表面背面的Si濃度的差進行了規定。尤其記載了表層Si濃度為6. 5質量％時能夠得到最低鐵損的主旨。進而，在專利文獻4中記載了如下的電磁鋼板，即，將電磁鋼板在鐵氧體相進行滲硅處理，制成表層為高Si濃度、板厚中央部為低Si濃度的電磁鋼板，從而使其高頻特性優另外，專利文獻5中記載了如下的馬達用硅鋼板，S卩，將低碳鋼在奧氏體相少的900 1000°C的溫度區進行滲硅處理而制成提高了表層的Si濃度的鋼板，從而使其加工性良好且高頻特性優異。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特公平6-45881號公報專利文獻2 :日本特公平5-49744號公報專利文獻3 :日本特開2005-240185號公報專利文獻4 日本特開2009-263782號公報專利文獻5 :日本特開2000-328226號公報

發明內容
如上所述，可知鐵損由磁滯損耗與渦流損耗之和表示，勵磁頻率越高，渦流損耗在總鐵損中所占的比例增加。材料的電阻率越大，渦電流越難流動，因此高頻用磁芯使用電阻率大的材料。一般，在電磁鋼板中，Si濃度越高，電阻率越增加，因此含有3質量％以上的Si的電磁鋼板適合作為高頻用磁芯材料。另一方面，Si濃度變得越高，鋼越具有變硬變脆的趨勢，冷軋變得困難。另外，Si濃度變高時，難以發生板坯冷卻時的由奧氏體向鐵氧體的轉變(以下稱為Y/a轉變)，鐵氧體直接形成粗大的組織，因此容易發生板坯裂紋、表面缺損。因而，在實際的電磁鋼板制造工藝中，鋼中的Si濃度的上限是4質量％。根據專利文獻2，在電磁鋼板中導磁率最高且磁致伸縮小的是6. 5質量％Si鋼板。但是，為了將其用作鐵心，需要實施分割加工、沖裁加工、彎曲加工等二次加工。但是，6. 5質量％31鋼板比通常的電磁鋼板脆，容易裂開，所以在上述的二次加工中，要求高度的加工技術。另外，6. 5質量％Si鋼板的維氏硬度Hv為390左右，與以往的電磁鋼板的Hv :200左右相比，非常硬。因此，還具有沖壓模具容易短壽命化的缺點。特別是在IOkHz以上的高頻用途中，與磁滯損耗相比，渦流損耗的比例增加，因此廣泛使用即使磁滯損耗差但渦流損耗低(固有電阻高)且廉價的壓粉磁芯等其它材料。另外，根據專利文獻2,將3質量％3丨鋼板壓延至最終板厚后，利用在聞溫中吹入四氯化硅的滲硅工藝，可以制造6. 5質量％Si鋼板。但是，實際用作磁芯時，需要將滲硅后的6. 5質量％Si鋼板進行分割、沖壓或彎曲加工，此時，存在常常產生裂紋、缺損的問題。進而，專利文獻2在其圖13記載了如下的例子Si濃度過于不均勻時，鐵損大幅增加，另一方面，Si濃度的不均勻性被抑制在某種程度以下時，可以得到不遜色于Si濃度均勻的鋼板的低鐵損。但是，在Si濃度不均勻時，并沒有示出與Si濃度均勻的鋼板相比更低鐵損的事例。另外，對于高頻鐵損，沒有記載任何具體數值。在專利文獻3中，作為與6. 5質量％Si鋼板相比高頻特性進一步優異的材料而記載了在板厚方向殘留有Si濃度梯度的鋼板。該鋼板即使表層的Si濃度高，但板的厚度方向中心部的Si濃度也才3質量％左右，所以從鋼材整體的平均來看可以認為是Si濃度低于上述6. 5質量％Si鋼板的材料。但是，此時，由于鋼中的Si濃度的下限為3質量％左右，所以不發生Y/a轉變。因此，冷卻至室溫時的鋼板組織由縱貫板厚的粗大鐵氧體粒構成，在進行分割、沖壓時仍然存在容易產生裂紋、缺損的問題。根據專利文獻4，對于因本來是粗大的二次再結晶組織而磁疇寬度廣且異常渦流 損耗大這樣的方向性電磁鋼板，也可以通過對該鋼板的表層賦予拉伸、對內部賦予壓縮的應力分布來有效減少渦流損耗。但是，由于使用方向性電磁鋼板作為坯料，所以與其它高頻鐵芯材料相比成本比例高。另外，作為應力分布賦予的方法使用滲硅處理，但是在方向性電磁鋼板中為了充分實現渦流損耗的降低，需要從表層開始進行滲硅并滲硅至平均Si濃度達到4質量％以上，將表層Si濃度提高至5質量％以上。在專利文獻5中，將具有奧氏體相的低碳鋼進行了滲硅處理，但是若在超過1000°C的溫度區進行滲硅處理，則在Y/a轉變的界面發生裂紋，因此在900 1000°C這樣比較低的溫度區進行滲硅處理。但是，為了降低渦流損耗，優選在1000°C以上進行滲硅處理，需要在上述界面中即使實施1000°c以上的滲硅處理也不產生裂紋的鋼板材料和鋼板的制造方法。另外，專利文獻5記載的鋼材的表層Si濃度高至5 6. 5質量％，且具有粗大的二次再結晶組織，所以在進行分割、沖壓時仍然存在常常發生裂紋、缺損的問題。作為高頻用磁芯材料，除此以外還有將鐵粉壓粉成型的壓粉鐵心、氧化鐵粉的鐵氧體鐵心以及Fe基非結晶合金。它們與6. 5質量％Si鋼板相比電阻率大，因此其特征是渦流損耗低。但是，鐵氧體鐵心由于飽和磁通密度低，所以通常使用時限定在低輸出功率且數百kHz以上的高頻用途。另一方面，壓粉鐵心、Fe基非結晶合金雖然與電磁鋼板相比飽和磁通密度略低，但由于渦流損耗低，所以對于高輸出功率的高頻用途，也有時與電磁鋼板同樣地使用。但是，上述材料均存在實加壓縮等外部應力時鐵損明顯增加的問題。如上所述，高頻特性優異的磁性材料大多加工性差，另外對外部應力反應敏感，特別是施加壓縮應力時，大多鐵損明顯增加。另一方面，作為加工性優異的材料，可以舉出作為結構用材料或外殼用材料廣泛使用的低碳鋼板。另外，低碳鋼的磁性不像一般磁性材料那樣對外部應力敏感，即使施加壓縮應力，鐵損也不會顯著增加。但是，一般的低碳鋼板的組織由含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相的微細的鐵氧體混合組織構成，所以其直流磁特性極差。因此，對于磁滯損耗為主體的商用頻率的磁芯，幾乎不使用低碳鋼板。但是，如果能夠降低低碳鋼板的渦流損耗，能發揮出相對于壓縮應力的鐵損上升少的性質，則可以得到高頻鐵損低且外部應力導致的鐵損劣化也少的優異的磁芯材料。本發明是鑒于上述現狀而進行的開發，目的在于提供高頻特性優異而且外部應力導致的鐵損劣化少的低碳鋼板及其制造方法。
根據專利文獻3，通過在滲硅工藝中在板厚方向形成Si濃度梯度，并控制鋼板的表面背面的Si濃度差，從而可以實現渦流損耗的降低化。認為該技術對于低碳鋼也同樣適用，可以實現渦流損耗的降低化。但是，由于低碳鋼發生Y/a轉變，所以在高溫的奧氏體相區域進行滲硅處理時，產生從Si濃度上升的表層開始向鐵氧體相轉變的現象。此時，在低Si濃度的奧氏體相與高Si濃度的鐵氧體相之間存在Si濃度間隙，因此，在異相界面的Si濃度梯度變得不連續。若以殘留這種Si濃度梯度的狀態進行冷 卻，則如圖I所示，表層的高Si濃度的鐵氧體相不發生轉變，與此相對，板厚中央層的低Si濃度的奧氏體相成為含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相的微細的鐵氧體混合組織。S卩，將低碳鋼進行滲硅處理而賦予Si濃度梯度的情況與不發生Y/a轉變的專利文獻3記載的技術在構成上大不相同。下面，對完成本發明的實驗進行說明。在表I中示出本實驗中使用的A D4種低碳鋼的組成。該表中，對符號(C)表不的鋼材實施以下3種處理來制作用于本實驗的試樣在氮氣中在1200°C進行退火的處理(無滲硅)…鋼處理I在1200°C進行滲硅后，充分使Si均勻擴散的處理(滲硅+長時間擴散)…鋼處理
II將120CTC的滲娃+ Si擴散一共實施3分鐘的處理(滲娃+短時間擴散)…鋼處理III。[表 I](質
量％ )
試樣 No.CSiMnPS
"(A)0.005 O0030 0080.004
Tb)0.024 O0 450.0060.003
Tc)0.055 03 L 150.005 0.005
Td)0. 155 02L 560.0040.005在這里，鋼處理II和III的滲硅處理是將處理后的試樣平均Si濃度調整為3質量％31。將這些試樣利用30 X IOOmm的單板測定框以直流和交流進行磁化測定，將磁通密度0. 05T、頻率20kHz的條件下的鐵損分為磁滯損耗與渦流損耗來進行測定，將結果進行比較。將試樣No. (C)的結果不于圖2。應予說明，在圖中，還一并表不了相同板厚的電磁鋼板(3質量％Si鋼板與6. 5質量％Si鋼板)的鐵損值。相對于鋼處理I的試樣，鋼處理II的試樣由于Si增加導致的電阻率增大而使渦流損耗下降，另外，在Si均勻化過程中，板厚整體上進行Y/a轉變，形成粗大的鐵氧體組織，由此還降低了磁滯損耗。另外，鋼處理II的試樣的鐵損(表示磁滯損耗+渦流損耗，對于以下本發明也相同)與相同Si濃度的電磁鋼板(3質量％Si)的鐵損相比為大值。其原因認為是即使是相同3質量％Si的鐵氧體粗大組織彼此，也由于電磁鋼板的情況下C量小于50ppm，與此相対，低碳鋼的情況下C量含有500ppm以上，因此磁滯損耗増大。與此相對，鋼處理III的試樣的鐵損出奇地不僅比3質量％Si的電磁鋼板低，還比6. 5質量％Si的電磁鋼板低，尤其是可以看到渦流損耗的降低化。雖然預想了通過在板厚方向賦予Si濃度梯度從而可以將磁通集中在表層，實現渦流損耗的降低化，但此時的效果與以相同滲硅量的試樣使Si濃度均勻化的情形相比，停留在了推測渦流損耗實現2 3成的降低化的程度。即，本實驗的結果是大于5成左右的渦流損耗的降低化效果，遠遠超出了預期。接下來，為了更詳細研究該現象，使用表I所示的4種材料，在上述鋼處理III的條件下進行滲硅等來制作試樣。將這些試樣在縱截面進行組織觀察，與上述實驗同樣地測定鐵損。將其結果示于圖3和4。在圖3 Ca) (d)中分別表不對試樣No. (A) (D)實施鋼處理III后的試樣的截面組織照片。圖3 (a)雖然能看到表層與板厚中央層的邊界，但均為鐵氧體単相的粗大粒組織。與此相対，圖3 (b)和(C)在板厚中央層可以看到將低碳鋼在生成奧氏體相的溫度退火后、進行空氣冷卻時能夠看到的含有貝氏體組織、珠光體組織、馬氏體組織的鐵氧體混合組織，成為與表層的鐵氧體單相組織明顯不同的組織。圖3 (d)中，在板厚中央層成為含有少量鐵氧體組織的馬氏體組織。由圖4可知并不是在實施了鋼處理III的全部的鋼材中必定得到超過6. 5質量°/( 1的電磁鋼板的低鐵損。因此，確認了各試樣的成分，結果對于C量含有200ppm以上的情況、且Mn含有O. 3質量％以上的情況，渦流損耗的降低化效果顯著顯現，同吋，能夠得到超過6. 5質量％Si的電磁鋼板的低鐵損。另外，試樣D比通常的電磁鋼板(3質量％Si )顯示低鐵損，但其優勢與試樣B、C相比具有降低的趨勢。接著，通過化學研磨觀察將試樣的從表面一側到板厚中心除去時的板翹曲。其結果，翹曲是板厚中心側呈凸狀。由此可知，利用研磨而除去之前，對表層產生了拉伸的應力，對中心產生了壓縮的應力。此處，在本發明中，內部應カ定義為如圖5所示，將原來的板厚設為d(mm)，將上述板翹曲時的曲率半徑設為r (mm)時，作用在表面的拉伸應力(面內拉伸應力)=作用在板厚中心部的壓縮應力，面內拉伸應力=EXd/ (2r) [MPa] (E表示鋼板的拉伸彈性模量)。進而，使用成為表I的試樣A和試樣C的組成的材料，在上述鋼處理III的條件下，將Si擴散時間進行各種變化來制作試樣。對于這些試樣，以上述方法測定內部應力，并且測定渦流損耗。將其結果示于圖6。根據圖6，在含有200ppm以上的C、0. 3質量％以上的Mn的試樣C的情況下，上述滲硅處理后的內部應カ有變大的趨勢。另外，在內部應カ(面內拉伸應力)為70 160MPa、的范圍，渦流損耗的降低顯著。上述趨勢的原因目前不清楚，但發明人等推測如下。
對于Fe-Si系合金而言，在低碳鋼水平，鋼中C量增加時，Fe-Si狀態圖上的γ/α邊界線向高Si側位移，實施滲硅處理時，轉變為鐵氧體相的部分與保持奧氏體相的部分的Si濃度間隙増大。認為如果在高溫時Si濃度間隙増大，則冷卻時發生γ/α的相轉變而要膨脹的中央層與不再發生轉變的表層的鐵氧體相之間產生內部應力。另外，Mn添加的效果是由于Mn是使奧氏體相穩定化的元素，所以Mn量增加時，Υ/α的相轉變點向低溫側位移。因此，認為冷卻時發生的內部應カ進ー步增加。進而，板厚中央層是微細的混合組織，并且成為了施加有壓縮應力的狀態，因此難以磁化，與此相對，表層是粗大的鐵氧體結晶粒，并且處于施加有拉伸應力的狀態，因此具有容易磁化的趨勢。因而，認為向板的面內方向磁化這樣的鋼板時，其磁通集中在表層，因此，結果降低了鋼板的渦流損耗。應予說明，還可知只要是如上述試樣那樣具有大內部應カ，則即使施加外部應力，鐵損值也不上升。S卩，只要是在外部應カ為零的狀態下像該試樣那樣產生70 160MPa左右的內部應力，則即使從外部施加數十MPa左右的壓縮應力，也可以維持表層的拉伸狀態。與此相對，在板厚中心部壓縮應力進ー步増加，但原本就是難以磁化的部分，影響甚微。其結果，認為磁通容易集中在表層的狀況沒有發生變化，不損失該試樣的渦流損耗的降低效果。另外，如上所述，在高溫長時間進行退火、緩和鋼板的Si濃度分布，或者緩和內部應カ時，上述的渦流損耗的降低效果和對外部壓縮應力的鐵損劣化防止效果減少，失去對具有相同Si濃度的電磁鋼板的優勢。因而，可知包括從滲硅處理開始的擴散時間在內優選還考慮直至磁芯完成為止實施的熱處理的時間。本發明是立足于上述見解的發明。S卩，本發明的主要構成如下。I. ー種低碳鋼板，其特征在于，是由板厚中央層和表層構成的包層型的低碳鋼板；所述板厚中央層的組成是含有Si :1. O質量％以下、C :0. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2. O質量％、P 0. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質，所述板厚中央層是含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相中的任意I種或2種以上的鐵氧體混合組織；所述表層的組成是含有Si :3 5質量％、C 0. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2. O質量％、P O. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質，所述表層是鐵氧體單相；該表層具有70 160MPa的面內拉伸應力作為內部應力。2.根據上述I所述的低碳鋼板，其特征在于，上述表層的總厚度為總板厚的30 60%。3.根據上述I或2所述的低碳鋼板，其特征在于，上述低碳鋼板的板厚為O. 05 O. 35mm04.根據上述I 3中任一項所述的低碳鋼板，其特征在干，上述低碳鋼板的板厚中央層和表層進ー步含有選自Al :0. 002 O. 6質量％、Cr :0. 01 I. 5質量％、V :0. 0005 O. I 質量 ％、Ti 0. 0005 O. I 質量 ％、Nb 0. 0005 O. I 質量 ％、Zr 0. 0005 O. I 質量 ％、B :0. 0005 O. 01質量％和N :0. 002 O. 01質量％中的I種或2種以上的元素。5. 一種低碳鋼板的制造方法，其特征在干，通過將鋼板進行加熱，在1050 1250°C的奧氏體區與Si系氣體進行反應,從而在該鋼板的表層形成Si含量3 5質量％的鐵氧體相，之后在鋼中Si均勻化之前進行冷卻；所述鋼板含有Si :1.0%質量以下、C O. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2. O質量％、P :0. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質。6.根據上述5所述的低碳鋼板的制造方法，其特征在于，上述Si系氣體是選自四氯化硅、三氯硅烷、ニ氯硅烷、甲硅烷、こ硅烷中的I種或2種以上的氣體。7.根據上述5或6所述的低碳鋼板的制造方法，其特征在干，上述鋼板進一歩含有選自 Al 0. 002 O. 6 質量 ％、Cr :0. 01 I. 5 質量 ％、V :0. 0005 O. I 質量 ％、Ti :0. 0005 O. I 質量 ％、Nb 0. 0005 O. I 質量 ％、Zr 0. 0005 O. I 質量 ％、B 0. 0005 O. 01 質量 ％和N :0. 002 O. 01質量％中的I種或2種以上的元素。根據本發明，可以獲得高頻特性優異而且外部應カ導致的鐵損劣化少的低碳鋼板及其制造方法，因此可以提供加工性優異的鐵芯材料。


圖I是表示本發明的低碳鋼的組織的示意圖。圖2是將低碳鋼的不同滲硅處理方法的鐵損值進行比較而表示的圖表。圖3是不同鋼板成分組成的滲硅處理后的鋼板截面的組織照片。圖4是將不同鋼板成分組成的滲硅處理后的鐵損值進行比較而表示的圖表。圖5是表示本發明中的內部應カ(面內拉伸應力)的測定要領的圖。圖6是表不內部應カ(面內拉伸應力)與潤流損耗的關系的圖。圖7是適合用于本發明的滲硅爐的示意圖。
具體實施例方式下面，具體說明本發明。首先，對鋼板的結構、成分組成等的限定理由進行說明。應予說明，鋼板成分組成中的％表示在沒有特別說明的情況下表示質量％。如上所述，在本發明中重要的是對提高了電阻率的表層進ー步附加拉伸應力。因此，需要對在高溫成為奧氏體相(以下稱為Y相)的鋼板實施滲硅處理，増加表層的Si量來提高電阻率，進而僅使表層轉變為鐵氧體相(以下稱為a相)，然后在鋼中Si均勻化之前進行冷卻。通過上述冷卻，從而形成如圖I所示的具有板厚中央層和鋼板表面背面2層表層的所謂的“包層型”的3層結構的鋼板，所述板厚中央層由含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相中的任意I種或2種以上的鐵氧體混合組織構成，所述表層由Si濃度高的鐵氧體單相組織構成。這些各個表層與板厚中央層之間存在Si濃度差，因此如上所述地發生Si濃度間隙導致的內部應カ，對表層附加拉伸應カ。
應予說明，對于板厚中央層，在鐵氧體単相的情況下，不能得到充分的內部應力，因此優選含有共計30% (面積％)以上的珠光體相、貝氏體相和馬氏體相，其余實質上是鐵氧體相。在這里，表層的Si量為3%以上時，磁致伸縮取正的大值，因此在上述的拉伸應力發揮作用的情況下，由于磁彈性效應而容易磁化。其結果，將鋼板進行磁化時，促進了磁通向表層的集中，渦流降低效果變大。但是，表層Si量大于5%時，反而磁致伸縮變小,拉伸應力帶來的磁彈性效應變小，另外，表面變硬而導致加工性下降。因而，表層的Si量為3 5%。
另ー方面，板厚中央層的Si量的平均值大于1.0%時，與上述的表層的Si濃度差變小，鋼板的內部應カ減少，因此渦流損耗的降低效果變弱。因此，板厚中央層的Si濃度為1.0%以下。應予說明，Si濃度的下限值沒有特別限定，但為了在制鋼時除去鋼中氧，優選為
O. 1%左右。應予說明，在本發明中，鋼中Si均勻化之前是指通過滲硅而增加的表層的Si通過充分的擴散而滲透至內部，從而表層和中央層的Si濃度變得均勻之前。因而，在表層部分、在板厚中央層部分均向板厚深度(中心)方向存在Si濃度梯度，但該梯度極其微小，幾乎可以無視。因而，本發明中的表層Si濃度(量)是指表層部分的平均Si濃度(量)。另外，有時上述表層存在點狀或線狀的碳化物，但這種情況下也沒有特別問題，實質上作為鐵氧體單相較好。上述表層的拉伸應カ需要為70 160MPa的面內拉伸應力。這是因為表層的拉伸應カ小于70MPa時，存在渦流損耗的降低效果變弱的問題，另一方面，大于160MPa時，存在磁滯損耗過于增大而抵消渦流損耗的降低效果的問題。因而，在本發明中，將表層的拉伸應力限定為了0 l60MPa。另外，上述表層的厚度優選以2層共計相對于鋼板的總厚度為30 60%左右。這是因為相對于鋼板的總厚度小于30%時,磁滯損耗變大。另ー方面，大于60%時,潤流損耗的降低化效果變弱，結果鐵損增加。應予說明，上述表層在厚度、成分組成等方面無需分別在上下面的2層一定相同，但優選為相同程度。進而，用于本發明的鋼板的厚度優選為O. 05 O. 35mm左右。這是因為，鋼板的厚度小于O. 05mm時,生產效率下降,制造成本增加。另ー方面,大于O. 35mm時,潤流損耗増大，不適合作為高頻用磁芯材料。但是，即使不滿足上述厚度，本發明的鐵損降低效果也并不消失。下面，對鋼板的表層和板厚中央層的成分的限定理由進行說明。應予說明，以下所示的鋼板成分的其余為Fe和不可避免的雜質。在成分中，對于Si而言，如上所述，需要表層為3 5%、板厚中央層為1.0%以下，但對于其它成分而言，表層和板厚中央層這兩層通用。C :0. 02 O. 16%、C是用于提高鋼材的內部應力、得到充分的渦流損耗降低效果所必要的元素，至少需要含有0.02%。另ー方面，大于O. 16%時，在表層和板厚中央層的界面容易產生裂紋。因此，C限定在O. 02 O. 16%的范圍。
從即使在高頻下也能夠得到比6. 5%Si的電磁鋼板低的鐵損的觀點考慮，更優選C為O. 03 O. 10%的范圍。Mn :0.3 2.0%Mn是用于得到充分的渦流損耗降低效果所必要的元素，需要至少含有O. 3%。另ー方面，大于2.0%時，容易在冷卻至室溫后在鋼板的板厚中央層還殘留Y相，與鋼板表層的內部應カ下降。因此，Mn限定在O. 3 2. 0%的范圍。P :0.03% 以下P是脆化元素，由于在鋼板的表層與板厚中央層的界面容易產生裂紋，所以希望極力降低化，但可以允許至O. 03%。S :0.01% 以下
S是成為熱脆性的原因的元素，由于濃度増加則生產率下降，所以希望極カ降低化，但可以允許至O. 01%。以上，對鋼板的基本成分進行了說明，但在本發明中，除此以外，可以在表層和板厚中央層的兩層共通含有選自以下所述的元素中的I種或2種以上。Al :0. 002 O. 6%Al的添加可提高固有電阻，因此是對降低渦流損耗有效的元素。小于下限時，缺乏添加效果，另一方面，大于上限時，滲硅前在高溫存在α相，所以不能制作本發明提出的包層型鋼板。Cr :0. 01 I. 5%Cr的添加可提高固有電阻，因此是對降低渦流損耗有效的元素。小于下限時，缺乏添加效果，另一方面，大于上限時，在粒內和粒界所析出的碳化物成為起點，變得容易脆性破壞。V 0. 0005 O. 1%、Ti 0. 0005 O. 1%、Nb 0. 0005 O. 1%、Zr 0. 0005 O. 1%V、Ti、Nb和Zr的添加通過在板厚中央部形成碳化物、氮化物而降低導磁率，提高磁通向表層的集中效果，因此各自對降低渦流損耗有效。各自小于下限時，缺乏添加效果，另ー方面，大于上限時，在粒內和粒界所析出的碳化物、氮化物成為起點，變得容易脆性破壞。B 0. 0005 O. 01%、N :0· 002 O. 01%B和N的添加由于在滲硅處理后的冷卻過程中提高板厚中央層的淬硬性而該部分的導磁率下降，由于提高了磁通向表層的集中效果，因此各自對降低渦流損耗有效。各自小于下限時，缺乏添加效果，另一方面大于上限時，變得容易脆化。接著，對本發明的低碳鋼板優選的制造方法進行說明。對于實施滲硅處理之前的低碳鋼板的制造方法，沒有特別限定，可以很好地使用以往公知的任何方法。例如，將成為上述鋼板的板厚中央層的成分組成的板坯加熱后，實施熱軋，反復進行冷軋或插入了 I次或2次以上的中間退火的冷軋，從而制成規定板厚的鋼板即可。另外，也可以根據需要實施精煉退火(仕上げ焼鈍)。對如上得到的鋼板實施滲硅處理而增加表層的Si濃度，在鋼板的表層形成Si含量3 5%的鐵氧體相后，在鋼中Si均勻化之前進行冷卻，由此可以制作本發明的低碳鋼板。
在這里，作為使Si滲透(滲硅)的方法，以往公知的方法均可應用，例如，可以舉出氣相滲硅法、液相滲硅法、固相滲硅法等。另外，此時使用的Si系氣體沒有特別限定，優選硅烷氣體，例如選自四氯化硅、三氯硅烷、ニ氯硅烷、甲硅烷、こ硅烷中的I種或2種以上的氣體。下面，對利用氣相滲硅法滲透Si的方法進行說明。氣相滲硅法的情況下，如果充分供給Si系反應氣體，并確定滲硅的開始至結束、進而直至冷卻為止的溫度履歷(爐內各區段的溫度和鋼板的滯留時間)，則對應于板厚和Si添加量(滲硅量)，板厚方向的Si濃度分布幾乎唯一確定。本發明中使用的滲硅爐只要是現有公知的 滲硅爐均可以很好地使用，例如可以舉出圖7所示結構的設備。在本發明中，特別是從得到高頻鐵損大幅降低化的Si濃度分布的方面考慮，對Si濃度1%以下的低碳鋼板實施滲硅處理時，優選在滿足下式I的條件下實施滲硅處理。式I :1·3Χ1(Γ4 彡(Σ tkX exp (-25000/Tk)) / (d2 X [mass%Si] add)彡 2·2Χ1(Γ4其中，Tk表示滲硅處理開始后鋼板通過的爐內各區段的溫度，tk表示鋼板在各區段的滯留時間，d表不板厚(mm)、[mass%Si]add表不滲娃處理時添加在鋼板的Si量(板厚方向的Si平均濃度的增加量)。應予說明，在本發明中，爐內溫度發生變化時，可看作2tkXeXp(-25000/Tk)的值相同的、以一定溫度和一定時間進行熱處理的情況。例如，經5分鐘從1200°C冷卻至700°C時，2tkXexp(-25000/Tk) ^ I. 9 X 1(Γ6，恒定在1200°C時，tk的值為45秒。因而，上述冷卻可以看作與在1200°C受到45秒的熱處理的情形相同。另外，上述式的值的下限值小于I. 3X IO-4時，通過在比較高的溫度進行消除應カ退火等后エ序，可以使Si濃度分布適當。但是，小于I. 3X 10_4吋，實際上表層的Si濃度過高，其結果，滲硅處理時發生鋼板的變形，或者在其后的加工時，在剪切部容易發生裂紋、缺損，因此優選滿足上述值。另ー方面，上述式的上限值大于2. 2X10—4時，內部應カ被緩和，渦電流降低效果下降，因此仍然優選滿足上述值。應予說明，以連續生產線進行滲硅處理的情況下，700°C以下吋，鋼板的Si濃度在現實的時間中不發生變化，所以式I的計算可以到700°C為止。本發明中的滲硅處理溫度為1050 1250°C。這是因為小于1050°C時，有可能冷卻時無法充分產生內部應カ；另一方面，大于1250°C時，在滲硅處理中Si濃度高的表層成為半熔融狀態，鋼板有可能斷裂。實施了滲硅處理的低碳鋼板在涂布絕緣被膜后，經過干燥、燒結エ序。經過上述エ序吋，如果是在小于600°C進行熱處理，則不引起鋼板的應カ緩和，高頻鐵損不上升。但是，在600°C以上進行熱處理時，隨著時間的變化而內部應カ也逐漸緩和，因此其聞頻鐵損上升。因此，調查了在600 800°C的范圍進行熱處理時的最佳熱履歷。其結果，確認了只要是滿足下式2的條件，鐵損就低于相同板厚、相同Si濃度的均勻材料。因此，在600 800°C的范圍進行熱處理吋，優選滿足下式2的熱履歷。式2 : (Σ ，kXexp(_25000/T，k))バd2X [mass%Si]add)彡 0·2Χ1(Γ4
在這里，T’ k表示滲硅處理后鋼板通過的各熱處理工序的溫度，t’ k表示鋼板在各熱處理工序的滯留時間，d表示板厚(mm), [mass%Si]add表示滲娃處理時添加在鋼板中的Si量(板厚方向的Si平均濃度的増加量)。另外，與上述式I的情況同樣，爐內溫度變化時，可看作Σ ’ kXexp(_25000/T’ k)的值相同的、以一定溫度和一定時間進行熱處理的情況。實施了滲硅處理的低碳鋼板經過分割、剪切、沖壓等各種加工エ序而組裝為鐵芯，此時，有時實施消除應カ退火。這種情況下也因為600°C以上的退火緩和內部應力，所以優選按照滿足上述式2的方式規定消除應カ退火的溫度和時間。另外，在400°C以上進行絕緣被膜的干燥、燒結，加工后實施消除應カ退火時，優選 將被膜的熱處理工序與消除應カ退火エ序進行共計，以滿足上述式2的方式設定溫度和時間。根據以上，可以設定將直到磁芯完成為止實施的熱處理的時間也考慮進去的制造條件。實施例〈實施例1>將成為表2所示的成分組成的試樣進行壓延，形成板厚0. 2mm，然后在1200°C進行加熱，在SiCl4 + N2環境中將相當于3%Si的滲硅處理和Si擴散處理共計進行3分鐘后，以10°C /min冷卻至室溫。利用愛潑斯坦試驗法(JIS C 2550)測定這些試樣的高頻鐵損。將結果與表層和板厚中央層的Si濃度一起示于表3。[表2]
試樣 No. 「C 「 Si 「 Mn J P "I S
10.005 O. I0.030.008 ' 0.004
20.023 O. I0.050.006 ' 0.003
30.024 O. IO. 310.006 ' 0.003
40.050 0.20.450.006 ' 0.003
50.075 O. II. 150.006 ' 0.003
60.075 0.5I. 150.030 ' 0.003
70.075 0.3I. 520.007 ' 0.003
80.017 O. I0.45 . 0.006 . 0.003(注単位全部為％，其余為Fe和不可避免的雜質)[表3]「表層Si I中央層Si廠內部應カI—T -
試樣No,備王
(%)Γ)(MPa)(W/kg)
13.9O. I4015比較例
24. 3O. I5216比較例
34.3O. I7511發明例
44.60.29010為'明例------------一
54.3O. I1109.8發明例
64.9O. 516517比較例
74.20.31509.5發明例
84. IO. I17020比較例3% S i
33—12以往例
電磁鋼板如該表所示，按照本發明得到的發明例(No. 3 5和7)均可以得到低于3%Si電磁鋼板的鐵損。〈實施例2>針對在表2中以No. 2 5表示的試樣，與磁化的方向平行地賦予±50MPa的壓縮應カ來調查鐵損的變化。利用愛潑斯坦試驗法(JIS C2550)測定這些的高頻鐵損。將得到的結果示于表4。[表 4]
施加外部應力時的鐵損
(W。愈(W/kg))
試ネ千No.施加壓カ施加壓カ施加壓カ備注
OMPa+50MPa_50MPa2161915比較例
3111412發明例
4101311發明例
59. 81210發明例
3 % S i
122921以往例
電磁鋼板注20k= 20000如該表所示，可知以往的3%Si電磁鋼板由于外部壓縮應力而顯示了 2倍以上的大幅的鐵損上升，與此相對，按照本發明的鋼板(試樣No. 3 5)是略微的上升(最大也就14W/kg的鐵損)。另外，按照本發明的鋼板即使在受到外部拉伸應力的情況下，鐵損也十分低，最大也就是12W/kg。產業上的可利用性在本發明中可以得到高頻特性優異、進而外部應カ導致的鐵損劣化少的低碳鋼板。其結果，可以得到鐵損少的高頻用鐵心，由此可以制作能量效率高的變壓器、其它的電 氣設備。
權利要求
1.一種低碳鋼板，其特征在于，是由板厚中央層和表層構成的包層型的低碳鋼板， 所述板厚中央層的組成是含有Si :1. O質量％以下、C :0. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2.O質量％、P :0. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質，所述板厚中央層是含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相中的任意I種或2種以上的鐵氧體混合組織， 所述表層的組成是含有Si :3 5質量％、C:0. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2. O質量％、P :0. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質，所述表層是鐵氧體單相， 該表層具有70 160MPa的面內拉伸應力作為內部應力。
2.根據權利要求I所述的低碳鋼板，其特征在于，所述表層的總厚度為總板厚的30 60%。
3.根據權利要求I或2所述的低碳鋼板，其特征在于，所述低碳鋼板的板厚為O.05 O.35mm0
4.根據權利要求I 3中任一項所述的低碳鋼板，其特征在于，所述低碳鋼板的板厚中央層和表層進一步含有選自Al :0. 002 O. 6質量％、Cr :0. 01 I. 5質量％、V :0. 0005 O.I 質量 ％、Ti 0. 0005 O. I 質量 ％、Nb 0. 0005 O. I 質量 ％、Zr 0. 0005 O. I 質量 ％、B :0. 0005 O. 01質量％和N :0. 002 O. 01質量％中的I種或2種以上的元素。
5.一種低碳鋼板的制造方法，其特征在于，通過加熱鋼板，在1050 1250°C的奧氏體區域中使其與Si系氣體進行反應，從而在該鋼板的表層形成Si含量為3 5質量％的鐵氧體相，之后在鋼中Si均勻化之前進行冷卻， 所述鋼板含有Si :1. 0%質量以下、C :0. 02 O. 16質量％、Mn :0. 3 2. O質量％、P :0. 03質量％以下和S :0. 01質量％以下，其余是Fe和不可避免的雜質。
6.根據權利要求5所述的低碳鋼板的制造方法，其特征在于，所述Si系氣體是選自四氯化硅、三氯硅烷、二氯硅烷、甲硅烷、乙硅烷中的I種或2種以上的氣體。
7.根據權利要求5或6所述的低碳鋼板的制造方法，其特征在于，所述鋼板進一步含有選自 Al 0. 002 O. 6 質量 ％、Cr :0. 01 I. 5 質量 ％、V :0. 0005 O. I 質量 ％、Ti :0. 0005 O.I 質量 ％、Nb 0. 0005 O. I 質量 ％、Zr 0. 0005 O. I 質量 ％、B 0. 0005 O. 01 質量 ％和N :0. 002 O. 01質量％中的I種或2種以上的元素。
全文摘要
將低碳鋼板制成由板厚中央層和表層構成的包層型，所述板厚中央層是Si1.0質量%以下的含有珠光體相、貝氏體相和馬氏體相中的任意1種或2種以上的鐵氧體混合組織，所述表層是含有Si3～5質量%的鐵氧體單相，通過向表層附加70～160MPa的面內拉伸應力作為內部應力，從而可以得到高頻特性優異、外部應力導致的鐵損劣化少的低碳鋼板。
文檔編號C22C38/04GK102639745SQ201080053998
公開日2012年8月15日 申請日期2010年11月29日 優先權日2009年11月30日
發明者尾田善彥, 平谷多津彥, 村木峰男 申請人:杰富意鋼鐵株式會社