JP2015214758A - 磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器鉄心材料として優れた磁気特性を有するとともに、電気機器鉄心への成形を容易にする打ち抜き加工性にも優れた無方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．００３％以下、Ｓｉ：１．０％以上３．０％以下、Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．０％以下を含有し、０．２≦Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）≦０．６を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素よりなる鋼成分を有し、かつ、降伏比が０．６以上、ビッカース硬度が２００以下である無方向性電磁鋼板とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、電気機器鉄心材料として使用される、磁気特性が優れ、かつ打ち抜き加工性にも優れた無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、電気機器、特に、無方向性電磁鋼板がその鉄心材料として使用される回転機、中小型変圧器、電装品等の分野においては、世界的な電力・エネルギー節減、ＣＯ_２削減等に代表される地球環境保全の動きの中で、高効率化、小型化の要請はますます強まりつつある。このような社会環境下において、当然、無方向性電磁鋼板に対しても、その性能向上は、喫緊の課題である。

周知のように、無方向性電磁鋼板においては、その性能向上に対して数多の手段がとられてきた。
鉄損低減についてみると、一般には、電気抵抗増大による渦電流損低減の観点から、ＳｉあるいはＡｌ等の含有量を高める方法がとられてきた。しかし、この方法では、反面、磁束密度の低下は避け得ないという問題点があった。
また、単に、Ｓｉ、あるいはＡｌ等の含有量を高めるのみではなく、Ｃ、Ｓ、Ｎ等の高純度鋼化や、特許文献１に記載されているようなＣａ添加、あるいは特許文献２に記載されているようなＲＥＭ添加等の化学的処置による不純物の無害化等による鉄損低減もなされてきた。さらに、特許文献３に記載されているような仕上焼鈍条件の工夫等の製造プロセス上の処置もなされてきた。
一方、高磁束密度化についても、特許文献４に記載されているような熱延板焼鈍条件と冷延条件の工夫等の製造プロセス上の処置や、特許文献５に記載されているようなＳｎ、Ｃｕ等の合金元素添加による一次再結晶集合組織改善による処置等がなされてきた。

しかし、上記のような処置により、無方向性電磁鋼板の磁気特性の向上はなされても、回転機等の鉄心として電気機器に使用される場合には、加工時の磁気特性変化を考慮する必要がある。特に、無方向性電磁鋼板が鉄心素材として打ち抜き加工を受ける場合には、打ち抜き端面やカシメ部等の形状が、鉄心性能に影響をおよぼすばかりではなく、鉄心としての積層性、成形性を左右する。すなわち、鉄心として所定の形状に成形されなければ、無方向性電磁鋼板の素材としての磁気特性を発揮することはできない。

特開平３−１２６８４５号公報 特開２００６−１２４８０９号公報 特開昭６１−２３１１２０号公報 特開平４−３２５６２９号公報 特開平５−１４０６４８号公報

上記に鑑み、本発明は、電気機器鉄心材料として優れた磁気特性を有するとともに、電気機器鉄心への成形を容易にする打ち抜き加工性にも優れた無方向性電磁鋼板を提供しようとするものである。

本発明者らは、無方向性電磁鋼板において、磁気特性向上のために添加される合金元素成分含有量、および、機械的性質の代表特性である引張強度と降伏強度を変化させることにより、磁気特性と打ち抜き加工性を同時に改善できないかとの観点から鋭意研究を積み重ねてきた。
その結果、合金元素成分としてのＳｉ、Ａｌ含有量、および、その比率、さらには、引張強度と降伏強度の比率を示す降伏比（降伏強度／引張強度）を制御することにより、打ち抜き加工性を損なうことなく、鉄損低減効果、磁束密度向上効果が得られることを究明した。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は、質量％で、Ｃ：０．００３％以下、Ｓｉ：１．０％以上３．０％以下、Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．０％以下を含有し、ＡｌとＳｉの含有量が、０．２≦Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）≦０．６の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素よりなる鋼成分を有し、かつ、（降伏強度／引張強度）で表される降伏比が０．６以上、ビッカース硬度が２００以下であることを特徴とする磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板にある。さらにまた他の要旨は、前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｐ：０．１５％以下を含有する打ち抜き加工性と歪取焼鈍後の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板にある。さらにまた他の要旨は、前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０．１％以上１．０％以下の１種または２種を含有する打ち抜き加工性と歪取焼鈍後の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板にある。

以上のように、本発明によれば、磁気特性および打ち抜き加工性ともに優れた無方向性電磁鋼板を提供することができ、電気機器、特に、無方向性電磁鋼板がその鉄心材料として使用される回転機、中小型変圧器、電装品等の分野における高効率化、小型化要請に十分に応えることができ、その工業的価値は極めて高いものである。

以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明の鋼成分の限定理由について述べる。なお、％は質量％を意味する。
Ｃは、鉄損を高める有害な成分で、磁気時効の原因ともなるので、０．００３％以下とする。

Ｓｉは、前記のように、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させることにより、鉄損を低減する作用のある成分であり、また、降伏比を増大させることにより、打ち抜き加工性を向上させる作用も有する。これらの作用を奏するためには、１．０％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が増えると、前記のように、磁束密度が低下し、かつ、硬度の上昇を招いて、打ち抜き加工性を劣化させ、また、無方向性電磁鋼板の製造工程そのものにおいても、冷延等の作業性の低下、コスト高ともなるので、３．０％以下とする。

Ａｌも、前記のように、Ｓｉと同様に電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させることにより、鉄損を低減する作用のある成分であるが、Ｓｉに比較し硬度の上昇が少ない。また、飽和磁束密度Ｂｓに対する磁束密度Ｂ50の比率：Ｂ50／Ｂｓを高め、磁束密度を向上させる作用も奏する。このためには、０．１％以上含有させ、かつ、ＡｌとＳｉの含有量において、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）の値が０．２以上となるように含有させる必要がある。一方、その含有量が増えると、飽和磁束密度そのものが低下し、磁束密度の低下を招き、さらには、降伏比の減少を招いて、打ち抜き加工性をも劣化させるので、３．０％以下とし、かつ、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）の値を０．６以下とする。

Ｍｎは、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させるとともに、一次再結晶集合組織を改善してヒステリシス損を減少させ、磁束密度も向上させる効果を有する。さらに、結晶粒成長に有害なＭｎＳ等の微細硫化物の析出を抑制する。これらの目的のためには、０．１％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が増えると、焼鈍時の結晶粒成長性そのものが低下し、ヒステリシス損が増大するので、１．０％以下とする。
本発明は、以上の成分よりなり、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素よりなる鋼成分を基本とするが、さらに、Ｐ、ＳｎとＣｕの１種または２種を以下のように含有することができる。

Ｐは、降伏比を上昇させ、打ち抜き加工性を改善する効果を有する成分であるが、その含有量が増えると、硬度が上昇しすぎ、かつ、鋼板の脆化を招き、無方向性電磁鋼板の製造工程そのものや需要家での作業性に問題が生じるので、０．１５％以下とする。

Ｓｎは、鋼板の一次再結晶集合組織を、磁気特性に望ましい（１００）、もしくは、（１１０）集合組織に発達させ、かつ、磁気特性に望ましくない（１１１）集合組織を抑制することにより、磁束密度を向上させるとともに、ヒステリシス損を低減する効果を有する。さらに、焼鈍時の鋼板表面酸化、窒化を抑制し、かつ、結晶粒成長を整粒化させる効果を有する。これらの目的のためには、０．０２％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が増えても作用は飽和し、むしろ、焼鈍時の結晶粒成長性そのものが抑制されるので、０．４０％以下とする。

ＣｕもＳｎと同様に、鋼板の一次再結晶集合組織を磁気特性に望ましいものに発達させる効果を有し、この効果を発現させるためには、０．１％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が増えると、熱間脆化を招き、無方向性電磁鋼板の製造工程における熱延等での作業性を低下させるので、１．０％以下とする。

前記成分からなる無方向性電磁鋼板は、打ち抜き加工性にも優れたものとするために、以下の要件を具備させるが、その限定理由について述べる。
無方向性電磁鋼板を回転機の鉄心等への打ち抜き加工をする際に、打ち抜き加工時に端面のダレが著しい場合には、打ち抜いた鋼板を鉄心に積層カシメする際にカシメが不十分であったり、また、カシメ自体が困難となる。さらに、打ち抜いた鋼板の真円度が損なわれ、回転機のシャフトを挿入する際に不具合が生じたりする。これらの不具合を回避するためには、打ち抜き加工時の塑性加工開始から完了までの素過程を調整する指標として、降伏比（降伏強度／引張強度）を考慮することが有効である。

この目的のためには、降伏比を０．６以上とする必要がある。降伏比が０．６未満の場合には、無方向性電磁鋼板の打ち抜き加工時に、塑性変形開始後、破断に至るまでの伸びが大きくなり、かつ、機械的性質の異方性の影響も受けやすくなり、打ち抜き加工時の端面ダレや真円度不良をもたらす。
尚、降伏比が０．９を超えると、降伏強度と引張強度の差が縮まりすぎ、打ち抜き加工時の塑性変形が不安定となる場合が生じるので、０．９以下とすることが望ましい。

一方、降伏比が上記の数値範囲内の無方向性電磁鋼板であっても、硬度が高すぎると、金型摩耗が激しくなり、さらには、金型調整をもってしても、せん断面と破断面比率を調整することが困難となる。このため、ビッカース硬度は２００以下とする必要がある。
尚、ビッカース硬度が１００未満になると、打ち抜き加工後の平坦度が劣化する場合が生じるので、１００以上とすることが望ましい。

上記の降伏比およびビッカース硬度の調整には、前記の鋼成分の限定理由で述べたような化学成分の選定、および、無方向性電磁鋼板の製造工程における仕上焼鈍条件の調整等により、適宜、実施することができる。

次に本発明の実施例を示す。
（実施例１）
表１に示した成分の無方向性電磁鋼板（板厚０．５０ｍｍ）を産業機械モータ用鉄心として、打ち抜きを含む加工処理を施した。結果を表２に示す。
表２において、Ｎｏ．１は磁気特性は良好であったものの、降伏比が０．５５と低く、０．６未満であったため、打ち抜き加工時に打ち抜き端面のダレが激しく、カシメ不良が発生した。また、Ｎｏ．４は、降伏比が０．６３と高く、０．６以上で、かつ、硬度も２００以下であったため打ち抜き加工性は良好であったものの、Ｓｉ含有量が０．７２％と低く、かつ、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）が０．６９と高く、０．６超であったため、磁束密度の低下が生じた。Ｎｏ．２、３は、合金成分、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）、降伏比、硬度とも本願発明の範囲内に制御したため、磁気特性、モータ鉄心への打ち抜き加工性とも良好であり、産業機械モータ用鉄心としての要求特性を満足した。
表２から明らかなように、本発明法によれば、磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

（実施例２）
表３に示した成分の無方向性電磁鋼板（板厚０．３５ｍｍ）を冷蔵庫コンプレッサモータ用鉄心として、打ち抜きを含む加工処理を施した。結果を表４に示す。
表４において、Ｎｏ．１１は磁気特性は良好であったものの、硬度が２１１と高く、２００超であったため、打ち抜き加工時に金型摩耗が激しく、打ち抜き加工に支障をきたした。また、Ｎｏ．１５は、Ａｌ含有量が３．１４％と高く、かつ、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）が０．７２と高く、０．６超であったため、磁束密度の低下が生じた。さらに、降伏比が０．５７と低く、０．６未満であったため、打ち抜き加工時に打ち抜き端面のダレが激しく、カシメ不良も発生した。Ｎｏ．１２、１３、１４は、合金成分、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）、降伏比、硬度とも本願発明の範囲内に制御したため、磁気特性、モータ鉄心への打ち抜き加工性とも良好であり、冷蔵庫コンプレッサモータ用鉄心としての要求特性を満足した。
表４から明らかなように、本発明法によれば、磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は、質量％で、Ｃ：０．００３％以下、Ｓｉ：１．９５％以上３．０％以下、Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．０％以下を含有し、ＡｌとＳｉの含有量が、０．２≦Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）≦０．６の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素よりなる鋼成分を有し、かつ、（降伏強度／引張強度）で表される降伏比が０．６以上、ビッカース硬度が１８５以上２００以下であることを特徴とする磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板にある。さらにまた他の要旨は、前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｐ：０．１５％以下を含有する打ち抜き加工性と歪取焼鈍後の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板にある。さらにまた他の要旨は、前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０．１％以上１．０％以下の１種または２種を含有する打ち抜き加工性と歪取焼鈍後の磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板にある。

Ｓｉは、前記のように、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させることにより、鉄損を低減する作用のある成分であり、また、降伏比を増大させることにより、打ち抜き加工性を向上させる作用も有する。これらの作用を奏するためには、１．０％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が増えると、前記のように、磁束密度が低下し、かつ、硬度の上昇を招いて、打ち抜き加工性を劣化させ、また、無方向性電磁鋼板の製造工程そのものにおいても、冷延等の作業性の低下、コスト高ともなるので、３．０％以下とする。
なお、特許請求の範囲では、実施例で確認されている値に基づいて、Ｓｉの含有量の下限を１．９５％以上とした。

一方、降伏比が上記の数値範囲内の無方向性電磁鋼板であっても、硬度が高すぎると、金型摩耗が激しくなり、さらには、金型調整をもってしても、せん断面と破断面比率を調整することが困難となる。このため、ビッカース硬度は２００以下とする必要がある。
尚、特許請求の範囲では、ビッカース硬度の下限を、実施例で確認されている値に基づいて１８５以上とした。

次に本発明の実施例を示す。
（参考例）
表１に示した成分の無方向性電磁鋼板（板厚０．５０ｍｍ）を産業機械モータ用鉄心として、打ち抜きを含む加工処理を施した。結果を表２に示す。
表２において、Ｎｏ．１は磁気特性は良好であったものの、降伏比が０．５５と低く、０．６未満であったため、打ち抜き加工時に打ち抜き端面のダレが激しく、カシメ不良が発生した。また、Ｎｏ．４は、降伏比が０．６３と高く、０．６以上で、かつ、硬度も２００以下であったため打ち抜き加工性は良好であったものの、Ｓｉ含有量が０．７２％と低く、かつ、Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）が０．６９と高く、０．６超であったため、磁束密度の低下が生じた。Ｎｏ．２、３は、磁気特性、モータ鉄心への打ち抜き加工性とも良好であり、産業機械モータ用鉄心としての要求特性を満足した。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．００３％以下、Ｓｉ：１．０％以上３．０％以下、Ａｌ：０．１％以上３．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上１．０％以下を含有し、ＡｌとＳｉの含有量が、０．２≦Ａｌ／（Ｓｉ＋Ａｌ）≦０．６の関係を満たし、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素よりなる鋼成分を有し、かつ、（降伏強度／引張強度）で表される降伏比が０．６以上、ビッカース硬度が２００以下であることを特徴とする磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板。
2. 鋼成分として、さらに、質量％でＰ：０．１５％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板。
3. 鋼成分として、さらに、質量％で、Ｓｎ：０．０２％以上０．４０％以下、Ｃｕ：０．１％以上１．０％以下の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気特性と打ち抜き加工性に優れた無方向性電磁鋼板。