JP3870893B2 - Non-oriented electrical steel sheet and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電気自動車や化石燃料エンジンと電気モータとを併用したハイブリッド電気自動車などの駆動用モータの鉄心材料用として、あるいは自動車や二輪車等の小型発電機の鉄心材料用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。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題から、自動車に対し排ガス発生の抑止および省エネルギーに対する要求が一段と高まっている。その対策の一つとして、電気モータを駆動源とする電気自動車（いわゆる純電気自動車ＰＥＶ）や電気モータとエンジンとを組み合わせたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が次々と実用化され、燃料電池車（ＦＣＥＶ）も検討されている。これらはいずれも駆動用のモータ性能が車両性能を大きく左右するため、高効率かつ高出力のモータが必要とされる。
【０００３】
さらに、多くの場合、モータを発電機として作動させ、ブレーキ効果とともに、制動時の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する方式が考えられており、このエネルギー回生の効率も重要である。
【０００４】
他方、在来型の自動車や二輪車においては、車内における快適性や利便性の追求が、電動化やカーエレクトロニクスの適用を拡大することになり、車両内での電気エネルギー供給量増加が必至となっている。これらの電気エネルギーの供給は、車両内に搭載された小形交流発電機によっており、その発電機は、限られた空間内に設置する必要があるので大きくはできず、車両重量軽減のために可能な限りの軽量化が要求され、その上で、増大する消費電力に対して発電出力を増加しなければならない。さらに、エンジンの回転により駆動される発電機の出力を大きくすることは、車の燃費の低下をもたらす結果となるので、できるだけ発電効率を高めねばならない。
【０００５】
このような自動車に関連したモータおよび発電機に対する要求は、いずれの場合も高効率、高出力および小形化である。そして、どちらも永久磁石と鋼板を積層した鉄心および巻き線からなっており、それらに適用される鉄心用電磁鋼板もその特性が効率や出力に大きく影響する。
【０００６】
小形モータや発電機などに適用される、磁気特性を規定した鋼板としては無方向性電磁鋼板があり、JIS-C-2552に規格化されている。無方向性電磁鋼板は、通常、商用周波数でその磁気特性が評価される。しかしながら、電気自動車用のモータは走行速度により回転数が大きく変わるので、インバータ制御により駆動され、数10Hzから数kHzの高周波域で使用される。また、発電機もエンジンの回転によって直接駆動されるため、アイドリング時には数100Hz程度、高速走行時には2ｋHz以上にも達する高周波域である。
【０００７】
ＪＩＳにて規定された無方向性電磁鋼板では、高周波域での磁気特性は必ずしもあきらかではなく、その上、主として鉄損を低くすることがそのグレードを定める基準となっているため、高グレード品を適用すれば高効率のモータや発電機は得られても、高出力と言う目標は達成できないと言う問題がある。
【０００８】
このような電気自動車モータ用あるいは自動車発電機用の電磁鋼板としていくつかの提案がなされている。たとえば、特許文献１に開示された発明は、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：1.0〜4.5％、Ｍｎ：1.5％以下を含む組成の、板厚が0.10〜0.50mmで、鉄損Ｗ_15/50、Ｗ_5/1000および磁束密度Ｂ₅₀が、Ｗ_15/50＋（Ｗ_5/1000/10）≦7.0、かつＷ_15/50＋（Ｗ_5/1000/10）≦62×Ｂ₅₀−97 の関係を満足する無方向性電磁鋼板で、その製造方法は、冷間圧延後の仕上げ焼鈍において、冷却を張力0.3kg/mm²以下、冷却速度変化を5℃/s²以下の条件でおこなうとしている。
【０００９】
特許文献２には、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：1.5〜3.0％、Ｍｎ：0.05〜1.5％、Ｐ：0.2％以下、Ｎ：0.005％以下、Ａｌ：0.1〜1.0％、Ｓ：0.001％以下、Ｓｉ＋Ａｌ≦3.5％、Ｓ：0.001％以下、（Ｓｂ＋Ｓｎ）/２：0.001〜0.05％で残部は実質的にＦｅであり、板厚が0.1〜0.3mm、平均結晶粒径が70〜200μmの電気自動車のモータ用電磁鋼板の発明が開示されている。この場合、Ｓをできるだけ低下し、ＳｂとＳｎを添加して結晶粒径を制御することにより、鉄損の低い電磁鋼板を得ている。
【００１０】
また、特許文献３は、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：2.2〜4.0％、Ａｌ：0.1〜1.5％、Ｍｎ：0.07〜1.5％で、板厚が0.25〜0.4mm、平均結晶粒径が70〜125μmの、表面に0.5〜3g/m²の絶縁被膜が付与された、Ｗ_15/50が2.6W/kg以下、Ｂ₅₀が1.69以上、Ｗ_10/400が20W/kg以下である無方向性電磁鋼板を用いたことを特徴とする、電気自動車用モータの発明を提示している。このモータに用いられた鋼板の製造方法としては、熱間圧延された1.0〜2.0mm厚さの熱延鋼板に950〜1200℃の連続焼鈍を施し、所要板厚に冷間圧延した後、850℃以上の温度にて焼鈍をおこなうとしている。
【００１１】
さらに、特許文献４の発明は、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：1％以上2.2％未満、Ａｌ：1.5％以下、Ｍｎ：1.5％以下、Ｂ：0.005％以下で、板厚が0.25〜0.6mm、平均結晶粒径が50〜125μmであり、表面に0.5〜3g/m²の絶縁被膜を有し、磁束密度Ｂ₅₀が1.70以上で、かつ磁束密度と鉄損の関係が、Ｂ₅₀≧0.011×｛Ｗ_15/50＋（Ｗ_10/400/10）｝＋1.64を満足する電気自動車モータ用の無方向性電磁鋼板に関する。この電磁鋼板の製造方法は、スラブ加熱を1200℃以下とし1.0〜2.0mm厚の熱延板に圧延し、700℃以上にて熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して上記板厚とし800℃以上で焼鈍する。
【００１２】
オルタネータ（発電機）に適した鉄心用鋼板との発明の例としては、たとえば特許文献５に開示された発明がある。これは、化学組成が質量％にてＳｉ：0.05〜1.5％、Ｍｎ：0.05〜1.0％、Ｐ：0.2％以下、sol.Ａｌ：0.005％以下または0.1〜1.0％でＳｉ＋sol.Ａｌが0.05％以上とし、さらに要すればＳｂ、Ｓｎを添加した、降伏点が160〜250MPaのオルタネータの鉄心用鋼板で、鉄損Ｗ_5/2000にて0.5mm厚の鋼板の磁気特性を評価している。
【００１３】
このように開発された鋼板の多くは、鉄損改善にその主眼が置かれているように思われる。鉄損を主とする磁気特性改善は、高効率という観点での良否は判断できるが、高出力という目的に対しては、どのように対応できているか必ずしもあきらかでない。また周波数が高い領域にて適用されることや、鉄心として薄い鋼板が打ち抜いたまま積層して用いられることなど、自動車用としての用途に対して、十分満足できる鋼板が得られているとは言い難い。
【００１４】
【特許文献１】
特開平８−４９０４４号公報
【特許文献２】
特開平１１−９２８９１号公報
【特許文献３】
特許第３３０７８７２号公報
【特許文献４】
特開２０００−９６１９５号公報
【特許文献５】
特開２０００−２８２１９０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電気自動車の駆動用モータ、あるいは自動車搭載の発電機などの鉄心用として好適な、すぐれた性能を有する無方向性電磁鋼板およびその製造方法の提供にある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、電気自動車の駆動用モータの鉄心に適用される電磁鋼板について種々調査をおこなった。電気自動車は未だ開発過程にあり、そのモータがどのような形態になっていくか必ずしも明確ではないが、小型軽量で高効率高出力の追求という基本概念は変わらず、さらにエネルギー回生の点から、発電機としてもすぐれたものでなければならないと推測される。このような観点から、現用の自動車用小形交流発電機の出力を増加させ、かつ効率を向上させることのできる鉄心用電磁鋼板は、電気自動車の駆動用モータの鉄心に用いればすぐれた性能を発揮すると考え、それに用いられる鋼板の磁気特性と、その製造方法に関し種々検討をおこなうことにした。
【００１７】
まず、高効率、高出力の自動車用小形交流発電機に要求される鋼板の性能を知るため、磁気特性の異なる鋼板にて、アウターロータ式の永久磁石を用いた発電機を試作し、発電機の性能と鋼板の磁気特性を調査した。発電機の形状は、固定子の外径は176mm、積み厚さ36mm、歯部の幅が5.2mmで巻き線が24ターン、回転子外径は208mmである。
【００１８】
板厚0.5mmの鉄損の異なる無方向性電磁鋼板を鉄心に用いた場合の結果の一例を図１に示すが、周波数400Hz、最大磁束密度1.0Tにおける鋼板の鉄損のＪＩＳ法による測定値と、発電機の効率との間によい相関が見出された。これから、発電機の効率を向上させるには、400Hzの高周波における鉄損Ｗ_10/400をできるだけ低くすればよいことがわかる。
【００１９】
ところが、鉄損と発電機の出力との関係をみると、図２に示すように明瞭な相関はなく、鉄損を低くすることは、そのまま出力の増加には結びつかず、発電機の性能向上の観点からは、鉄損だけに着目した鉄心用の鋼板性能の向上は、改善の方向を誤るおそれがあることがわかった。
【００２０】
図１の結果は、鉄損を低下すれば効率が向上することを示している。一般に積層鉄心の板厚は薄いほど鉄損が向上し、とくに周波数が高くなるほどその影響が大きくなる。また、電気自動車の駆動用モータの鉄心も、板厚の薄いものが適用されるようである。そこで、電磁鋼板の板厚としては、0.40mm以下を対象とし、上記の発電機の性能をよりすぐれたものとするため、効率は92％以上であることを目標にした。
【００２１】
発電機の効率に対し、鉄損だけでなく磁束密度も大きく影響していると推測される。磁束密度は、JIS-C-2552の無方向性電磁鋼板の場合、磁場の強さ5000A/mにおける磁束密度Ｂ₅₀が規定されている。発電機あるいは、電気自動車用モータでは商用周波数より高い周波数で励磁される。そこでＢ₅₀の値について、励磁周波数の影響を直流から1kHzまで変化させて測定してみた結果、周波数の影響はほとんどなく通常の商用周波数での測定による評価で十分であった。
【００２２】
鋼板のＢ₅₀の値は、低ければ確実に発電機の出力が低下するが、Ｂ₅₀の値が大きいだけでは、必ずしも出力の大きい高性能の発電機が得られるとは限らない。この出力の改善されない理由に対しては、板厚、鉄心への加工時の歪み、あるいは鉄損と磁束密度の関係、など種々の要因が考えられる。
【００２３】
板厚は、鉄損低減の目的に対してはできるだけ薄くするのがよい。ところが、鋼板を積層する鉄心では、積み厚さが同じなら鋼板の厚さを薄くすれば重ねる板の枚数が増加するので、それだけ板と板との空隙の数が増して占積率が低下する。占積率が低下すると積み鉄心としての磁束密度が低下し、発電機の出力は低下すると予想される。そのため、厚い鋼板を用いた鉄心の場合と同じだけの出力を得ようとすれば、鋼板としてはより高い磁束密度を有していなければならない。
【００２４】
このように、発電機の効率向上を目的に鉄損改善のため板厚を薄くすると、出力が低下してくるので、上記発電機の性能目標を、効率が92％以上でありかつ出力は板厚が0.5mmの場合と同等の9250W以上とし、この目標値を達成できる板厚0.40mm以下の電磁鋼板の具備すべき特性を検討することにした。
【００２５】
まず、上記目標値を達成できる鋼板の磁気特性について種々調べてみると、鉄損Ｗ_10/400と磁束密度Ｂ₅₀との発電機の効率への影響として、鉄損が低ければ磁束密度が多少低くても、発電機の目標特性を達成することができることがわかった。
【００２６】
しかし、Ｂ₅₀を高くするだけでは必ずしも出力が向上するとは限らないので、さらに鋼板としての磁気特性の効果を種々調べていくと、磁場の強さが100A/mの弱い磁場における磁束密度Ｂ₁の値が、発電機の出力に大きく影響していることがあきらかになった。
【００２７】
Ｂ₁の値は、Ｂ₅₀の値とは異なり周波数の影響を強く受け、励磁周波数が高くなると低下する。発電機の出力との関係を調べてみると、弱い磁場における磁束密度の周波数依存性が、発電機の出力に大きく影響していることがわかってきた。そこで、さらに上述の発電機が目標出力を達成できる鋼板性能の指標となる特性値を検討した結果、磁場の強さ100A/mにおける、400Hzでの磁束密度Ｂ₁₍₄₀₀₎に対する1kHzの磁束密度Ｂ_1(1k)の比［Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎］を用いれば、この値がある値を超えればよいことが確認された。この指標が鋼板特性の評価に適用できるのは、高周波で稼働される発電機の出力に対し、励磁周波数の数倍程度の高調波も、大きく影響するためではないかと思われる。
【００２８】
このように、低い磁場における磁束密度やその周波数依存性が発電機の出力に影響している理由は必ずしもあきらかではないが、一般に低い磁場における磁束密度は、透磁率に関係しており、透磁率の高い鋼板が好ましいとも考えられる。また、小形発電機の場合、鉄心は鋼板が加工されたままの状態で使用されることが多いので加工歪みの影響を受ける。加工歪みは、磁場が弱いとき鋼板を磁化させにくくして、効率や出力に悪影響をおよぼすが、その場合、周波数が高くなるとより影響が大きくなるのではないかと思われる。
【００２９】
また、加工歪みによりＢ₁など低磁場の磁束密度が低下する場合、加工を受ける前の鋼板の状態での磁束密度が高いほど、加工後の磁束密度は高い。したがって、Ｂ₁の値が高いほど、発電機に組み込まれたときの打ち抜きなど加工の影響は軽減されるとも考えられる。
【００３０】
上述の鋼板の磁気特性と発電機の性能との関係を検討する際に、鋼板の化学組成や製造方法も合わせて検討した。鉄損を低下させるためには、Ｓｉは多く含有させる必要があり、これにＭｎおよびＡｌも多く含有させることが好ましい。これは主に電気抵抗の増大によっていると考えられる。
【００３１】
さらに発電機の性能について目標値を達成させるためには、とくにＰの添加が好ましいことがわかった。Ｐ含有の効果の一つは、再結晶集合組織の改善にあり、Ｐを含有させることにより、板面方向の磁化に好ましい鉄の結晶方位が発達したと推測される。
【００３２】
もう一つは、鋼板の硬化による打ち抜き性の改善がある。自動車の発電機やモータの鉄心用には、寸法精度低下や工程増加回避などから、鋼板は打ち抜き加工のまま使用されることが多いが、打ち抜き性が改善されるとダレなどが少なくなり、鋼板の剪断部の歪みが減少する。とくに発電機やモータ性能に大きく影響すると考えられる固定子の歯部先端などの磁化特性が、歪みが少なくなることにより向上すると推測される。
【００３３】
発電機の目標性能達成のためには、鋼板の製造工程にて、冷間圧延前で熱延板を焼鈍することが必要である。この焼鈍の目的は、冷間圧延後焼鈍したときの磁気特性の向上である。熱延板の焼鈍は連続焼鈍法でもよいが、箱焼鈍法の方がより一層大きく向上する。
【００３４】
熱延板焼鈍の効果は、一つは冷間圧延前の結晶粒径を大きくすることにあるとされ、それによって圧延後の焼鈍により磁気特性に好ましい再結晶集合組織が形成されると考えられている。しかしながら、焼鈍後の熱延板の平均結晶粒径がほぼ同じ場合、連続焼鈍法による場合よりも箱焼鈍法を適用する方が、よりすぐれた磁気特性の鋼板が得られることがあきらかになった。
【００３５】
これは、鋼板中に不可避的に存在する酸化物、窒化物、あるいは硫化物などの微細析出物による磁気特性への影響によると推定される。微細析出物は、その総含有量が同じであれば微細に分散しているほど影響が大きく、粗大化させればその悪影響が低減される傾向がある。
【００３６】
熱延板を焼鈍して同じ平均結晶粒径にしようとするとき、連続焼鈍法では高温短時間で達成できるが、箱焼鈍では温度を高くできないので、低温で長時間の加熱を要する。この焼鈍の際、加熱温度が高くなると上記微細析出物は容易に鋼中に固溶してしまい、その後、連続焼鈍法のように急冷されると固溶した成分は鋼板中に微細に分散析出してくる。これに対し箱焼鈍法のように温度が低い場合、微細析出物は溶解度が小さいのですべては固溶せず、長い均熱時間の間に、特定の析出物などを核にして次第に凝集したり粗大化していき、その上、冷却もまた緩やかなので、微細な析出物が消滅していく。このような微細析出物の状態は、冷間圧延および引き続く製品の連続焼鈍の過程でもそのまま残存する。その結果、熱延板焼鈍においては、箱焼鈍法を適用する方が、連続焼鈍法よりもすぐれた磁気特性の電磁鋼板となるのではないかと考えられる。
【００３７】
上述のような熱延板焼鈍により冷間圧延前の結晶粒を大きくしたり、冷間圧延率を低くする手段は、通常の無方向性電磁鋼板において採用されるものであり、特許文献３や４にも示されているように、自動車用の無方向性電磁鋼板としても効果がある。
【００３８】
この冷間圧延前の結晶粒径を大きくすることの、鋼板の磁気特性におよぼす効果について調査した結果、Ｐ含有量と冷間圧延率とによって影響を受け、とくにこの二つにより定まる特定の平均結晶粒径範囲にあるとき、よりすぐれた特性の得られることがあきらかになった。好ましい平均結晶粒径の範囲は、焼鈍の方法が連続焼鈍法では明確ではないが、箱焼鈍法を適用した場合、顕著に認められるのである。
【００３９】
Ｐは、焼鈍時の結晶粒が成長する温度域では固溶状態にあるが、冷却の過程で粒界に偏析してくる。連続焼鈍の場合、加熱された後急速に冷却されるため、このような偏析は生じ難いが、箱焼鈍では冷却速度が遅いので、Ｐが粒界偏析を生じる温度域に長時間滞留することになる。そして粒界にＰが多く偏在した状態で冷間圧延加工を受けた結果、冷間圧延後の焼鈍時に磁気特性に好ましい集合組織が形成される。Ｐの含有量と冷間圧延率とによって定まる好ましい熱延板焼鈍後の結晶粒径範囲があるのは、このような理由によるのではないかと思われる。
【００４０】
上述のようにして、特定形状の発電機の性能を従来より向上させるため、その目標値を設定し、それを達成するために必要な鉄心用の電磁鋼板の特性、およびその製造方法を検討し、特性のすぐれた電磁鋼板を得ることができた。このような鋼板は、発電機の大きさや形状が異なっても、あるいはそれが電気自動車用のモータであっても、いずれもすぐれた性能をもたらすことができる。
【００４１】
以上のような検討結果に基づき、さらに限界条件を明確にして本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。
【００４２】
（１）化学組成が質量％で、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：1.7％を超え3.0％以下、Ｍｎ：0.1〜1.5％、sol.Ａｌ：0.1〜2.0％、Ｐ：0.07 ％を超え0.20％以下で、残部がＦｅおよび不純物からなり、板厚が0.15mm以上0.40mm以下であって、磁気特性として鉄損Ｗ_10/400（W/kg）と50Hzでの磁束密度Ｂ₅₀（T）との間に下記(i)式を満足する関係があり、かつ400Hzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ₁₍₄₀₀₎（T）と1kHzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ_1(1k)（T）との比［Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎］が0.45以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
Ｂ₅₀≧0.006×Ｗ_10/400＋1.60 (i)
【００４３】
（２）上記（１）の化学組成を持つ鋼のスラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して最終板厚となし、連続焼鈍をおこなって製品とする一連の製造工程において、鋼のＰの含有量をＰ（％）、冷間圧延の圧下率をＲ（％）とするとき、冷間圧延前の結晶粒径Ｄ（μm）が下記(ii)式にて示される範囲となるように熱延板に箱焼鈍を施すことを特徴とする上記（１）の無方向性電磁鋼板の製造方法。
5×Ｒ−500×Ｐ−325≦Ｄ≦5×Ｒ−500×Ｐ−250 (ii)
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明の鋼の化学組成を以下のように限定する。なお各成分の含有量比率はいずれも質量％である。
【００４５】
Ｃの含有量は0.005％以下とする。Ｃは鉄損を劣化させるので少なければ少ないほどよい。顕著な悪影響が現れない限度として、0.005％以下とする。
【００４６】
Ｓｉは1.7％を超え3.0％以下とする。Ｓｉは鋼板の電気抵抗を高め、渦電流損を減少させ、高周波域での鉄損低減に効果があり、発電機やモータの効率を向上させる。この効果を得るために1.7％超含有させるが、多く含有させすぎると、鋼が硬化し冷間圧延時の割れを生じるなど加工性が劣化してくるばかりでなく、磁束密度が低下し発電機の出力が低下してくるので3.0％までとする。
【００４７】
Ｍｎの含有量は0.1％以上1.5％以下とする。Ｍｎは一般的に鋼の熱間加工性を改善し表面疵の発生を抑止するために少量は含有させる必要があり、電磁鋼板としては、ＳｉやＡｌほどには効果が大きくはないが電気抵抗を高める作用がある。このため0.1％以上含有させるが、多すぎるとα−γ変態点が現れ、磁気特性向上を目的とした高温焼鈍が困難となることがあり、磁束密度も低下してくるので、多くても1.5％までとする。
【００４８】
sol.Ａｌは0.1％以上2.0％以下とする。Ａｌは溶鋼の強力な脱酸剤であるとともにＳｉとほぼ同等の電気抵抗増加の作用があり、渦電流損を減少させ、高周波域での鉄損低減による発電機およびモータの効率を向上させる効果がある。窒素との結合力が強く、含有量が少ない場合、鋼中で微細な窒化物を形成し、これが焼鈍時の結晶粒成長を阻害したり、磁化特性を劣化させるので、0.1％以上含有させ、微細な窒化物の形成を抑止する必要がある。しかし多く含有させすぎると、磁束密度が低下し、発電機およびモータの出力を低下させるので、多くても2.0％までとする。
【００４９】
Ｐは0.07 ％を超え0.20％以下の範囲で含有させる。Ｐは磁束密度を向上させる効果があり、本発明の目的とする磁束密度向上による発電機およびモータの出力改善に、とくに有効な元素である。
【００５０】
また、打ち抜き歪みによる低磁場での磁束密度低下を軽減する効果もある。このような効果を得るためには、少なくとも0.07 ％を超えて含有していることが必要であるが、多く含有しすぎると冷間圧延時の破断を引き起こすおそれがあるので、0.20％までとする。このＰ含有の効果をより有効に発揮させるために好ましい含有量は、0.07％を超え0.15％以下である。
【００５１】
上記の成分以外は、Ｆｅおよび不純物とする。不純物のうちとくにＳ、ＮおよびＴｉは、微細な析出物や介在物を形成し鋼板の磁気特性を大きく劣化させるので、それらを合計したＳ＋Ｎ＋Ｔｉの量が0.015％以下となるようにして、できるだけ少なくすることが望ましい。また、一般的に磁気特性を改善する効果があるとされているＳｎ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒなどを、それぞれ0.5％以下の範囲で含有させても、本発明の効果を損なうことはない。
【００５２】
次に本発明の鋼板の板厚は0.15mm以上0.40mm以下とする。板厚がこの範囲より厚くなると鉄損が増加して、発電機やモータの効率が低下し、目標とする性能が得られなくなるからである。板厚を薄くすると鉄損は低減できるが0.15mm未満になると発電機やモータの出力が大きく低下し、鋼板の磁気特性を向上させても目標とした出力が得られなくなり、それに加えて積層の際の工数も増大する。
【００５３】
鋼板の磁束密度Ｂ₅₀は、400Hz、1Tにおける鉄損Ｗ_10/400（W/kg）に基づく下記(i)式を満足している必要がある。
Ｂ₅₀≧0.006×Ｗ_10/400＋1.60 (i)
【００５４】
Ｂ₅₀は高いほど発電機またはモータの出力を大きくする効果があるので、できれば1.70T以上であることが好ましい。しかし鉄の場合2.0T前後で飽和してしまい、それ以上は高くできない。
【００５５】
板厚0.27〜0.35mmの製造条件の種々異なる電磁鋼板を用い、前述の固定子の外径が176mm、積み厚さ36mm、回転子が外径208mmの発電機を作製し、この発電機の効率および出力を測定した。用いた電磁鋼板の磁束密度Ｂ₅₀および鉄損Ｗ_10/400とに対し、発電機の効率が92％以上を示した鋼板と、92％を下回る結果となった鋼板とを区分してプロットしてみると図３の結果が得られた。この結果から、Ｂ₅₀とＷ_10/400との好ましい関係を求めると(i)式が得られる。
【００５６】
鋼板の磁気特性として、400Hzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ₁₍₄₀₀₎（T）と1kHzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ_1(1k)（T）との比［Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎］が0.45以上であることとする。これは、上記の発電機において、効率が92％以上で、かつ出力が9250W以上とするために必要である。
【００５７】
発電機の出力とＢ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎との関係を調査した結果を図４に示す。ここでは発電機の効率が、92％以上のものと、92％を下回るものとを区分して示してある。これから、発電機の出力のみを対象にすれば、効率が低くても出力の目標値を達成できるものが製造可能であるが、効率が高くかつ出力の大きい発電機を得ようとすれば、Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎が0.45以上でなければならないことがわかる。 Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比は大きいほど好ましいが、1.0に近い値は通常では得られない。
【００５８】
本発明の鋼板の製造は、規定の組成範囲である鋼スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して最終板厚となし、連続焼鈍をおこなって製品とする一般に採用される電磁鋼板の製造方法に準じておこなう。ただし、これら一連の製造工程において、上述の鋼板磁気特性を得るために、以下のように条件を制御する。
【００５９】
熱延板の焼鈍は、箱焼鈍法を用い、鋼のＰ含有量をＰ（％）、冷間圧延の圧下率をＲ（％）とするとき、焼鈍後の平均結晶粒径Ｄ（μm）が、下記(ii)式の範囲になるように焼鈍条件を設定する。この範囲とすることにより、とくにＢ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比を、0.45以上に制御することができる。Ｄの値が(ii)式にて限定される範囲より小さすぎる場合、目標とする磁気特性が得られない。
5×Ｒ−500×Ｐ−325≦Ｄ≦5×Ｒ−500×Ｐ−250 (ii)
【００６０】
焼鈍後の結晶粒径は、焼鈍の温度および時間により制御する。しかし、同じ温度および時間でも、鋼の組成および不純物含有量、熱間圧延条件等により影響されるので、最適の焼鈍温度および時間は一概に指定することはできない。したがって、Ｐ量および冷間圧下率が決まれば、上記式にて与えられるＤとなるよう焼鈍の温度および時間を選定すればよく、要すれば熱延鋼板から試片を採取し試験焼鈍を施すことにより条件を選定する。具体的には例えば温度は700〜900℃である。
【００６１】
熱延板の焼鈍により上記範囲の平均結晶粒にすることは、連続焼鈍法でも可能である。しかし、連続焼鈍法では、上記範囲のＤとするには条件の選定幅が狭く、安定して平均結晶粒を制御することが困難である。また、同じ平均結晶粒径にすることができたとしても、得られた電磁鋼板のとくにＢ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比が0.45を下回る結果となることが多く、好ましくない。
【００６２】
箱焼鈍法における雰囲気ガスは、通常、窒素を主体とし、水素を3〜10％程度混合したものが用いられる。この雰囲気ガスとして、実質的に100％の高純度水素ガスを用いると、よりすぐれた磁気特性の電磁鋼板を得ることができる。
【００６３】
【実施例】
〔実施例１〕
Ｃ：0.002％、Ｓｉ：1.8％、Ｍｎ：0.2％、sol.Ａｌ：0.3％、Ｐ：0.09％、Ｓ：0.002％、Ｎ：0.0012％、Ｔｉ：0.002％の鋼スラブ（鋼番号1）を1150℃の加熱後、熱間圧延して仕上げ温度を850℃とし、焼鈍の方法および温度を変えて熱延板を焼鈍した。この熱延板焼鈍において均熱時間は、箱焼鈍法の場合2時間、連続焼鈍法の場合30秒とした。熱延板は焼鈍後冷間圧延して所要板厚にし、1030℃、30秒の焼鈍をおこない、その表面に絶縁コーティングを施した。得られた鋼板から、JIS-C-2550に準じて試験片を打ち抜きにより採取し、25cmエプスタイン試験枠にて磁気特性を測定した。結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
表１の結果からわかるように、試験番号1-1、1-4、1-5、1-8、1-11、1-12、1-14および1-17は、熱延板の焼鈍後の結晶粒径が(ii)式で規制される範囲を外れており、目標とする磁気特性が得られていない。試験番号1-13および1-18は熱延板焼鈍が連続焼鈍法によるもので、焼鈍後の結晶粒径は(ii)式で規制される範囲内に入るが、鋼板の性能は、本発明で定めた目標値を下回る結果となっている。これに対し、本発明で規制する条件にて製造された鋼板はいずれも目標として設定された特性値を十分に満足している。
【００６６】
〔実施例２〕
Ｃ：0.0020％、Ｓｉ：2.0％、Ｍｎ：0.2％、sol.Ａｌ：0.5％、Ｓ：0.002％、Ｎ：0.002％以下、Ｔｉ：0.0025％以下である鋼をベースとし、Ｐ含有量を種々変えた鋼スラブにて、1130℃に加熱後熱間圧延をおこなって仕上げ温度を900℃とし、2.0mm厚の熱延鋼板とした。熱延鋼板を焼鈍後、0.27mm厚に冷間圧延し、980℃にて30秒の焼鈍をおこない表面に絶縁コーティングを施した。得られた鋼板について、実施例１と同様にして磁気特性を測定した。結果を表２に示す。
【００６７】
【表２】

【００６８】
表２に示されるように、Ｐ含有量が本発明で定める範囲を超える試験番号2-8の場合、冷間圧延にて破断を生じた。また、試験番号2-6は熱延板焼鈍を連続焼鈍法としているが、Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比は目標値を下回る結果となった。試験番号2-3 〜 2-5 および 2-7はいずれもすぐれた磁気特性を示している。
【００６９】
〔実施例３〕
表３に示す組成の鋼スラブを1150℃で加熱し、熱間圧延して仕上げ温度900℃として2.0mm厚に仕上げた。表４に示すように種々の条件で熱延板焼鈍をおこなった後、冷間圧延し0.27〜0.5mm厚とし、1030℃にて30秒の焼鈍をおこない表面に絶縁コーティングを施した。得られた鋼板について、実施例１と同様にして磁気特性を測定した。得られた鋼板を用い、モータおよび発電機を試作し、モータについては効率、発電機については出力をそれぞれ測定した。モータは希土類磁石を用いた16極の永久磁石埋め込み型であり、発電機は前述のアウターロ−タ式の永久磁石を用いたものである。これらの結果を合わせて表４に示す。
【００７０】
【表３】

【００７１】
【表４】

【００７２】
表３および表４から、次のようなことがわかる。Ｃ含有量の高くＰ含有量の低い鋼の試験番号3-1、Ｓｉ含有量およびＰ含有量が本発明の規制値を下回る3-2、Ｍｎ含有量が規制値を超えＰ含有量が規制値を下回る3-4、sol.Ａｌ含有量およびＰ含有量が規制値を下回る3-5およびsol. Ａｌ含有量が上限を超えＰ含有量が規制値を下回る3-6等は、いずれもＢ₅₀とＷ_10/400との関係が負の値となっており、Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比も目標値を下回っている。Ｓｉが本発明の規制値を超える試験番号3-3は、冷間圧延時に破断を生じたためその後の圧延を中止した。
【００７３】
また、Ｐ含有量が低く、しかも、熱延板焼鈍後に(ii)式で規制する範囲を外れた結晶粒径となった試験番号3-7、3-8および3-9も磁気特性が目標を下回る結果となっている。試験番号 3-13は、板厚が本発明の対象とする範囲を超えており、冷間圧延率も低く、その結果として熱延板焼鈍後の結晶粒径が(ii)式で規制する範囲外となってしまい、磁気特性が劣る結果となっている。
【００７４】
これらに対し、試験番号3-10、3-11、3-12および3-14は、鋼組成、板厚、熱延板焼鈍後の結晶粒径はいずれも本発明にて規制する条件範囲内であり、目標とする磁気特性が得られ、モータの効率あるいは発電機の出力の結果からもわかるように、高性能の電気自動車の駆動用モータ、あるいは自動車用発電機の磁心用としてすぐれた鋼板となっている。
【００７５】
【発明の効果】
本発明の無方向性電磁鋼板は、高周波における鉄損および磁束密度にすぐれており、自動車の車両搭載の発電機および電気自動車の駆動モータ等の鉄心用として、その効率改善および出力増大に寄与するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石を用いたアウターロータ式の小形発電機の、鉄心に用いた鋼板の鉄損Ｗ_10/400と、発電機の効率との関係を示す図である。
【図２】永久磁石を用いたアウターロータ式の小形発電機の、鉄心に用いた鋼板の鉄損Ｗ_10/400と、発電機の出力との関係を示す図である。
【図３】鉄損Ｗ_10/400と磁束密度Ｂ₅₀との関係と、その電磁鋼板を鉄心に用いた小形発電機の効率評価結果とを示す図である。
【図４】鋼板のＢ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎の比と、発電機の出力および効率との関係を示す図である。[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
  The present invention is used as an iron core material for a drive motor such as an electric vehicle, a hybrid electric vehicle using a fossil fuel engine and an electric motor, or as a core material for a small generator such as an automobile or a two-wheeled vehicle.SuitableThe present invention relates to a non-oriented electrical steel sheet and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Due to global environmental problems, there are increasing demands for automobiles to suppress the generation of exhaust gases and to save energy. As one of the countermeasures, an electric vehicle (so-called pure electric vehicle PEV) using an electric motor as a drive source and a hybrid electric vehicle (HEV) combining an electric motor and an engine are put into practical use one after another, and a fuel cell vehicle (FCEV). ) Is also being considered. In any case, since the motor performance for driving greatly affects the vehicle performance, a motor with high efficiency and high output is required.
[0003]
Further, in many cases, a method is considered in which a motor is operated as a generator, and a kinetic energy at the time of braking is converted into electric energy together with a braking effect, and the efficiency of this energy regeneration is also important.
[0004]
On the other hand, in conventional automobiles and motorcycles, the pursuit of comfort and convenience in the vehicle will expand the application of electrification and car electronics, and the increase in the amount of electric energy supply in the vehicle will inevitably increase. ing. The electric energy is supplied by a small AC generator installed in the vehicle. The generator needs to be installed in a limited space, so it cannot be made large and can be used to reduce the vehicle weight. As much lightening as possible is required, and then the power generation output must be increased for increasing power consumption. Furthermore, increasing the output of the generator driven by the rotation of the engine results in a decrease in the fuel consumption of the vehicle, so the power generation efficiency must be increased as much as possible.
[0005]
The requirements for motors and generators associated with such automobiles are, in each case, high efficiency, high output and miniaturization. And both consist of the iron core and winding which laminated | stacked the permanent magnet and the steel plate, and the characteristic also influences efficiency and an output also about the electromagnetic steel plate for iron cores applied to them.
[0006]
Non-oriented electrical steel sheets are standardized in JIS-C-2552 as steel sheets with specified magnetic properties applied to small motors and generators. The magnetic properties of non-oriented electrical steel sheets are usually evaluated at commercial frequencies. However, since the motor speed for electric vehicles varies greatly depending on the running speed, it is driven by inverter control and used in a high frequency range of several tens Hz to several kHz. In addition, since the generator is also driven directly by the rotation of the engine, it has a high frequency range that reaches about several hundred Hz when idling and reaches 2 kHz or more when traveling at high speed.
[0007]
Non-oriented electrical steel sheets stipulated by JIS are not necessarily clear in the magnetic properties in the high frequency range, and in addition, the standard for determining the grade is mainly to lower the iron loss. However, there is a problem that the goal of high output cannot be achieved even if high efficiency motors and generators can be obtained.
[0008]
Several proposals have been made as electromagnetic steel sheets for such electric vehicle motors or automobile generators. For example, the invention disclosed in Patent Document 1 has a composition including C: 0.005% or less, Si: 1.0 to 4.5%, Mn: 1.5% or less, a plate thickness of 0.10 to 0.50 mm, and an iron loss W._15/50, W_5/1000And magnetic flux density B₅₀But W_15/50+ (W_5/1000/10)≦7.0 and W_15/50+ (W_5/1000/ 10) ≦ 62 × B₅₀A non-oriented electrical steel sheet that satisfies the relationship of −97, and its manufacturing method is that cooling is applied at a tension of 0.3 kg / mm in finish annealing after cold rolling.²Below, the cooling rate change is 5 ℃ / s²We are going to do it under the following conditions.
[0009]
In Patent Document 2, C: 0.005% or less, Si: 1.5 to 3.0%, Mn: 0.05 to 1.5%, P: 0.2% or less, N: 0.005% or less, Al: 0.1 to 1.0%, S: 0.001% or less , Si + Al ≦ 3.5%, S: 0.001% or less, (Sb + Sn) / 2: 0.001 to 0.05%, the balance being substantially Fe, plate thickness of 0.1 to 0.3 mm, and average crystal grain size of 70 to 200 μm An invention of an electromagnetic steel sheet for motors of automobiles is disclosed. In this case, by reducing S as much as possible and adding Sb and Sn to control the crystal grain size, an electrical steel sheet having a low iron loss is obtained.
[0010]
Patent Document 3 discloses that C: 0.005% or less, Si: 2.2 to 4.0%, Al: 0.1 to 1.5%, Mn: 0.07 to 1.5%, a plate thickness of 0.25 to 0.4 mm, and an average crystal grain size of 70 to 125 μm, 0.5-3 g / m on the surface²W with an insulating coating of_15/50Is less than 2.6W / kg, B₅₀1.69 or more, W_10/400An invention of a motor for an electric vehicle is proposed, characterized in that a non-oriented electrical steel sheet having a power of 20 W / kg or less is used. As a manufacturing method of the steel plate used in this motor, hot-rolled hot-rolled steel plate having a thickness of 1.0 to 2.0 mm is subjected to continuous annealing at 950 to 1200 ° C. and cold-rolled to a required plate thickness. Annealing is performed at a temperature of ℃ or higher.
[0011]
Further, the invention of Patent Document 4 includes C: 0.005% or less, Si: 1% or more and less than 2.2%, Al: 1.5% or less, Mn: 1.5% or less, B: 0.005% or less, and a plate thickness of 0.25 to 0.6 mm. The average crystal grain size is 50-125μm and 0.5-3g / m on the surface²Insulation coating and magnetic flux density B₅₀Is 1.70 or more, and the relationship between magnetic flux density and iron loss is B₅₀≧ 0.011 × {W_15/50+ (W_10/400/10)}+11.64 relates to a non-oriented electrical steel sheet for electric vehicle motors. The manufacturing method of this electrical steel sheet is slab heating of 1200 ° C. or less, rolled to a hot rolled sheet having a thickness of 1.0 to 2.0 mm, subjected to hot rolled sheet annealing at 700 ° C. or more, and then cold rolled to obtain the above sheet thickness. And annealing at 800 ° C or higher.
[0012]
As an example of an invention with a steel sheet for an iron core suitable for an alternator (generator), there is an invention disclosed in Patent Document 5, for example. This is because when the chemical composition is mass%, Si: 0.05 to 1.5%, Mn: 0.05 to 1.0%, P: 0.2% or less, sol.Al: 0.005% or less, or 0.1 to 1.0%, and Si + sol.Al is 0.05% or more. And, if necessary, a steel sheet for an alternator iron core with a yield point of 160 to 250 MPa, to which Sb and Sn are added._5/2000Evaluates the magnetic properties of 0.5 mm thick steel sheets.
[0013]
Many of the steel plates developed in this way seem to focus on improving iron loss. The improvement in magnetic characteristics, mainly iron loss, can be judged from the viewpoint of high efficiency, but it is not always clear how it can cope with the purpose of high output. In addition, it is said that a sufficiently satisfactory steel sheet has been obtained for use in automobiles, such as being applied in a high frequency region or being laminated and used as a thin steel sheet as an iron core. hard.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-8-49044
[Patent Document 2]
JP-A-11-92991
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 3307872
[Patent Document 4]
JP 2000-96195 A
[Patent Document 5]
JP 2000-282190 A
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
  An object of the present invention is for an iron core for a drive motor of an electric vehicle or a generator mounted on a vehicle.SuitableThe present invention provides a non-oriented electrical steel sheet having excellent performance and a method for producing the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted various investigations on electrical steel sheets applied to the iron cores of drive motors for electric vehicles. Electric vehicles are still in the process of development, and it is not always clear what form their motor will be, but the basic concept of pursuing high efficiency and high output is small and light, and in terms of energy regeneration, It is speculated that the generator must be excellent. From this point of view, an iron core electrical steel sheet that can increase the output and improve the efficiency of current small AC generators for automobiles exhibits excellent performance when used in the core of a drive motor for an electric vehicle. In view of this, it was decided to conduct various studies on the magnetic properties of the steel sheet used in the steel sheet and the manufacturing method.
[0017]
First, in order to know the performance of steel plates required for high-efficiency, high-power small AC generators for automobiles, we prototyped a generator using permanent magnets of the outer rotor type on steel plates with different magnetic properties. The performance and magnetic properties of steel sheet were investigated. The generator has a stator outer diameter of 176 mm, a stacking thickness of 36 mm, a tooth width of 5.2 mm, windings of 24 turns, and a rotor outer diameter of 208 mm.
[0018]
Figure 1 shows an example of the results of using a non-oriented electrical steel sheet with a thickness of 0.5 mm and different iron loss in the iron core. The measured value of the iron loss of a steel sheet at a frequency of 400 Hz and a maximum magnetic flux density of 1.0 T by the JIS method. And a good correlation was found between generator efficiency. From now on, in order to improve the efficiency of the generator, the iron loss W at a high frequency of 400 Hz_10/400It can be seen that it should be as low as possible.
[0019]
However, looking at the relationship between iron loss and generator output, there is no clear correlation as shown in FIG. 2, and lowering iron loss does not directly increase the output, improving generator performance. From this point of view, it was found that the improvement of the steel sheet performance for the iron core focusing only on the iron loss may cause the direction of improvement to be mistaken.
[0020]
The result of FIG. 1 shows that the efficiency is improved if the iron loss is reduced. Generally, the iron loss is improved as the thickness of the laminated iron core is reduced, and the influence is increased as the frequency is increased. In addition, it seems that the iron core of the drive motor of the electric vehicle is applied with a thin plate thickness. Therefore, the thickness of the electromagnetic steel sheet was set to 0.40 mm or less, and the efficiency was set at 92% or more in order to improve the performance of the above-mentioned generator.
[0021]
It is estimated that not only the iron loss but also the magnetic flux density greatly affects the efficiency of the generator. In the case of non-oriented electrical steel sheet of JIS-C-2552, the magnetic flux density is magnetic flux density B at a magnetic field strength of 5000 A / m.₅₀Is stipulated. In a generator or an electric vehicle motor, excitation is performed at a frequency higher than the commercial frequency. So B₅₀As a result of changing the influence of the excitation frequency from DC to 1 kHz, there was almost no influence of the frequency, and evaluation by measurement at a normal commercial frequency was sufficient.
[0022]
Steel sheet B₅₀If the value of is low, the output of the generator will definitely decrease, but B₅₀A large value of is not necessarily a high-performance generator with a large output. Various reasons such as the thickness of the plate, the distortion during processing of the iron core, or the relationship between the iron loss and the magnetic flux density can be considered as the reasons why the output is not improved.
[0023]
The plate thickness should be as thin as possible for the purpose of reducing iron loss. However, in an iron core in which steel plates are stacked, if the thickness of the steel plates is the same, reducing the thickness of the steel plates increases the number of plates to be stacked. Therefore, the number of gaps between the plates increases and the space factor decreases. . When the space factor decreases, the magnetic flux density as the stacked iron core decreases, and the output of the generator is expected to decrease. Therefore, if it is going to obtain the same output as the case of the iron core using a thick steel plate, the steel plate must have a higher magnetic flux density.
[0024]
Thus, if the plate thickness is reduced to improve iron loss for the purpose of improving the efficiency of the generator, the output will decrease. Therefore, the efficiency target of the above generator is 92% or more and the output is the plate. We decided to study the characteristics that should be possessed by electrical steel sheets with a thickness of 0.40 mm or less, which can achieve this target value, with a thickness of 9250 W or more equivalent to the case where the thickness is 0.5 mm.
[0025]
First, when various investigations are made on the magnetic properties of the steel sheet that can achieve the target value, the iron loss W_10/400And magnetic flux density B₅₀As a result, it was found that if the iron loss is low, the target characteristics of the generator can be achieved even if the magnetic flux density is somewhat low.
[0026]
But B₅₀Since the output does not always improve simply by increasing the magnetic field, the magnetic flux density B in a weak magnetic field with a magnetic field strength of 100 A / m will be further investigated by examining various effects of the magnetic properties of the steel sheet.₁It has become clear that the value of has a great influence on the output of the generator.
[0027]
B₁The value of B is₅₀Unlike the value of, it is strongly influenced by the frequency and decreases as the excitation frequency increases. Examining the relationship with the output of the generator, it has been found that the frequency dependence of the magnetic flux density in a weak magnetic field greatly affects the output of the generator. Therefore, as a result of examining the characteristic value that is an index of the steel sheet performance that the above-mentioned generator can achieve the target output, the magnetic flux density B at 400 Hz at the magnetic field strength of 100 A / m._{1 (400)}1kHz magnetic flux density B_{1 (1k)}Ratio [B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}], It was confirmed that this value should exceed a certain value. It seems that this index can be applied to the evaluation of steel sheet characteristics because harmonics several times the excitation frequency greatly affect the output of the generator operated at high frequency.
[0028]
As described above, the reason why the magnetic flux density in a low magnetic field and its frequency dependency affect the output of the generator is not necessarily clear, but in general, the magnetic flux density in a low magnetic field is related to the permeability, and the permeability It is also considered that a high steel plate is preferable. Further, in the case of a small generator, the iron core is often used in a state where the steel plate is processed, so that it is affected by processing distortion. Machining distortion makes it difficult to magnetize the steel sheet when the magnetic field is weak, and adversely affects efficiency and output. In this case, it seems that the influence becomes greater as the frequency increases.
[0029]
In addition, B₁When the magnetic flux density in a low magnetic field decreases, the higher the magnetic flux density in the state of the steel plate before being processed, the higher the magnetic flux density after processing. Therefore, B₁It is considered that the higher the value of, the less the influence of processing such as punching when incorporated in the generator.
[0030]
When examining the relationship between the magnetic properties of the steel sheet and the performance of the generator, the chemical composition and manufacturing method of the steel sheet were also examined. In order to reduce the iron loss, it is necessary to contain a large amount of Si, and it is preferable to contain a large amount of Mn and Al. This is thought to be mainly due to an increase in electrical resistance.
[0031]
Furthermore, in order to achieve the target value for the performance of the generator, it has been found that addition of P is particularly preferable. One of the effects of containing P is to improve the recrystallized texture. By containing P, it is presumed that the preferred crystal orientation of iron has developed for magnetization in the plate direction.
[0032]
Another is improvement of punchability by hardening the steel plate. Steel plates are often used as they are in punching for automotive generators and motor iron cores due to reduced dimensional accuracy and avoidance of process increases. However, when punchability is improved, sagging is reduced. The distortion of the shearing portion of is reduced. In particular, it is presumed that the magnetization characteristics such as the tips of the stator teeth, which are considered to greatly affect the performance of the generator and the motor, are improved by reducing the distortion.
[0033]
In order to achieve the target performance of the generator, it is necessary to anneal the hot-rolled sheet before cold rolling in the steel sheet manufacturing process. The purpose of this annealing is to improve the magnetic properties when annealing after cold rolling. The annealing of the hot-rolled sheet may be a continuous annealing method, but the box annealing method is further greatly improved.
[0034]
One of the effects of hot-rolled sheet annealing is to increase the crystal grain size before cold rolling, and it is considered that a recrystallized texture preferable for magnetic properties is formed by annealing after rolling. ing. However, when the average crystal grain size of the hot-rolled sheet after annealing is almost the same, it is clear that it is possible to obtain a steel sheet with better magnetic properties by applying the box annealing method than by the continuous annealing method. .
[0035]
This is presumed to be due to the influence on the magnetic properties caused by fine precipitates such as oxides, nitrides or sulfides unavoidably present in the steel sheet. If the total content of the fine precipitates is the same, the finer the dispersion is, the greater the influence is, and if the fine precipitate is coarsened, the adverse effect tends to be reduced.
[0036]
When an attempt is made to anneal a hot-rolled sheet to obtain the same average crystal grain size, the continuous annealing method can be achieved in a short time at a high temperature, but the temperature cannot be increased in the box annealing, and thus a long time heating is required at a low temperature. During this annealing, if the heating temperature is increased, the fine precipitates are easily dissolved in the steel, and then the components that are dissolved in the steel are rapidly dispersed and precipitated in the steel sheet when quenched as in the continuous annealing method. Come on. On the other hand, when the temperature is low as in the case of the box annealing method, the fine precipitates have low solubility, so they do not all dissolve, and during a long soaking time, they gradually agglomerate with specific precipitates as the core. Since it becomes coarser and cooling is also slow, fine precipitates disappear. Such a fine precipitate remains even in the process of cold rolling and subsequent continuous annealing of the product. As a result, in hot-rolled sheet annealing, it is considered that applying the box annealing method may result in an electrical steel sheet having better magnetic properties than the continuous annealing method.
[0037]
Means for enlarging crystal grains before cold rolling or reducing the cold rolling rate by hot-rolled sheet annealing as described above are employed in ordinary non-oriented electrical steel sheets. As shown in FIG. 4, it is also effective as a non-oriented electrical steel sheet for automobiles.
[0038]
As a result of investigating the effect of increasing the grain size before cold rolling on the magnetic properties of the steel sheet, it was influenced by the P content and the cold rolling rate, and in particular, the specific average determined by these two It was clear that better characteristics could be obtained when the crystal grain size was in the range. The preferable range of the average crystal grain size is not clear when the annealing method is the continuous annealing method, but is noticeable when the box annealing method is applied.
[0039]
P is in a solid solution state in the temperature range where crystal grains grow during annealing, but segregates at the grain boundaries during the cooling process. In the case of continuous annealing, since it is rapidly cooled after being heated, such segregation is unlikely to occur, but the cooling rate is slow in box annealing, so that P stays in a temperature range where grain boundary segregation occurs for a long time. Become. As a result of cold rolling with a large amount of P unevenly distributed at the grain boundaries, a texture favorable to magnetic properties is formed during annealing after cold rolling. It seems that this is the reason why there is a preferable crystal grain size range after the hot-rolled sheet annealing determined by the P content and the cold rolling rate.
[0040]
As described above, in order to improve the performance of the generator of a specific shape than before, the target value is set, and the characteristics of the magnetic steel sheet for the iron core necessary to achieve it and the manufacturing method thereof are studied. As a result, an electrical steel sheet having excellent characteristics could be obtained. Such a steel plate can provide excellent performance regardless of the size and shape of the generator or whether it is a motor for an electric vehicle.
[0041]
Based on the above examination results, the present invention was completed by further clarifying the limit conditions. The gist of the present invention is as follows.
[0042]
  (1) The chemical composition is mass%, C: 0.005% or less, Si: more than 1.7% and 3.0% or less, Mn: 0.1-1.5%, sol.Al: 0.1-2.0%, P:0.07 Over%0.20%Less thanThe balance is made of Fe and impurities, the plate thickness is 0.15 mm to 0.40 mm, and the iron loss W_10/400(W / kg) and magnetic flux density B at 50Hz₅₀(T) between(i)There is a relationship satisfying the equation, and the magnetic flux density B at a magnetizing force of 100 A / m at 400 Hz_{1 (400)}(T) and magnetic flux density B at a magnetic force of 100 A / m at 1 kHz_{1 (1k)}Ratio [T] [B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}] Is 0.45 or moreRuOriented electrical steel sheet.
  B₅₀≧ 0.006 × W_10/400+1.60(i)
[0043]
  (2) A steel slab having the chemical composition of (1) was hot-rolled and subjected to hot-rolled sheet annealing.After, coldIn a series of manufacturing steps that are rolled to obtain the final plate thickness, and are subjected to continuous annealing to produce a product, when the P content of steel is P (%) and the rolling reduction of cold rolling is R (%) The crystal grain size D (μm) before cold rolling is as follows:(ii)The above-mentioned (1), wherein the hot-rolled sheet is subjected to box annealing so as to be in the range represented by the formulaNoA method for producing grain-oriented electrical steel sheets.
  5 × R-500 × P-325 ≦ D ≦ 5 × R-500 × P-250(ii)
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The chemical composition of the steel of the present invention is limited as follows. In addition, all content ratios of each component are mass%.
[0045]
The C content is 0.005% or less. Since C deteriorates iron loss, the smaller the better. The upper limit is 0.005% or less as a significant adverse effect.
[0046]
Si exceeds 1.7% and is 3.0% or less. Si increases the electrical resistance of the steel sheet, reduces eddy current loss, reduces iron loss in the high frequency region, and improves the efficiency of the generator and motor. In order to obtain this effect, it is contained in excess of 1.7%. However, if too much is contained, not only the workability deteriorates, such as hardening of the steel and cracking during cold rolling, but also the magnetic flux density is lowered and the generator is reduced. Since the output of will decrease, it will be up to 3.0%.
[0047]
The Mn content is 0.1% to 1.5%. Mn generally needs to be contained in a small amount in order to improve the hot workability of the steel and suppress the occurrence of surface flaws. As an electrical steel sheet, the electrical resistance is not as great as Si or Al. There is an action to increase. For this reason, it is contained in an amount of 0.1% or more, but if it is too much, an α-γ transformation point appears, and high-temperature annealing for the purpose of improving magnetic properties may be difficult, and the magnetic flux density is also lowered. %.
[0048]
sol.Al is 0.1% or more and 2.0% or less. Al is a powerful deoxidizer for molten steel and has the same effect of increasing electrical resistance as Si, reducing eddy current loss and improving the efficiency of generators and motors by reducing iron loss in the high frequency range. There is. When the binding strength with nitrogen is strong and the content is small, fine nitrides are formed in the steel, and this inhibits crystal grain growth during annealing or deteriorates the magnetic properties. It is necessary to suppress the formation of fine nitrides. However, if too much is contained, the magnetic flux density is lowered and the output of the generator and motor is lowered, so at most 2.0%.
[0049]
  P is0.07 Over%0.20%Less thanIn the range of. P has an effect of improving the magnetic flux density, and is an element particularly effective for improving the output of the generator and the motor by improving the magnetic flux density which is the object of the present invention.
[0050]
  In addition, there is an effect of reducing a decrease in magnetic flux density in a low magnetic field due to punching distortion. In order to obtain such an effect, at least0.07 %BeyondAlthough it is necessary to contain, if too much is contained, there is a risk of causing breakage during cold rolling, so the content is limited to 0.20%. In order to exhibit this P-containing effect more effectively, the preferable content is more than 0.07% and 0.15% or less.
[0051]
Other than the above components, Fe and impurities are used. Among impurities, S, N, and Ti, in particular, form fine precipitates and inclusions and greatly deteriorate the magnetic properties of the steel sheet. Therefore, the total amount of S + N + Ti should be as low as 0.015% or less. It is desirable to do. Further, even if Sn, Sb, Ni, Cu, Cr, etc., which are generally considered to have an effect of improving magnetic properties, are contained in a range of 0.5% or less, the effect of the present invention is not impaired. .
[0052]
Next, the thickness of the steel sheet of the present invention is set to 0.15 mm or more and 0.40 mm or less. This is because if the plate thickness is thicker than this range, the iron loss increases, the efficiency of the generator or motor decreases, and the target performance cannot be obtained. If the plate thickness is reduced, iron loss can be reduced, but if it is less than 0.15 mm, the output of the generator and motor is greatly reduced, and even if the magnetic properties of the steel plate are improved, the target output cannot be obtained. The number of man-hours also increases.
[0053]
  Magnetic flux density B of steel plate₅₀Is the iron loss W at 400Hz, 1T_10/400Based on (W / kg)(i)The expression must be satisfied.
  B₅₀≧ 0.006 × W_10/400+1.60(i)
[0054]
B₅₀The higher the value, the greater the effect of increasing the output of the generator or motor. However, in the case of iron, it becomes saturated at around 2.0T, and it cannot be increased further.
[0055]
  Thickness 0.27 ~ 0.35mmA generator with the stator outer diameter of 176 mm, the stacking thickness of 36 mm, and the rotor of 208 mm outer diameter was manufactured using the electromagnetic steel sheets having different manufacturing conditions, and the efficiency and output of the generator were measured. Magnetic flux density B of electrical steel sheet used₅₀And iron loss W_10/400On the other hand, when the steel sheet in which the efficiency of the generator showed 92% or more and the steel sheet in which the efficiency was lower than 92% were divided and plotted, the result of FIG. 3 was obtained. From this result, B₅₀And W_10/400Seeking a favorable relationship with(i)The formula is obtained.
[0056]
Magnetic properties of steel sheet Magnetic flux density B at magnetizing force 100A / m at 400Hz_{1 (400)}(T) and magnetic flux density B at a magnetic force of 100 A / m at 1 kHz_{1 (1k)}Ratio [T] [B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}] Is 0.45 or more. This is necessary for the above generator to have an efficiency of 92% or more and an output of 9250W or more.
[0057]
Generator output and B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}The result of investigating the relationship with is shown in FIG. Here, the efficiency of the generator is divided into 92% or more and less than 92%. From now on, if only the output of the generator is targeted, it is possible to produce a product that can achieve the target value of the output even if the efficiency is low._{1 (1k)}/ B_{1 (400)}Can be seen to be 0.45 or more. B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}A larger ratio is preferable, but a value close to 1.0 is not usually obtained.
[0058]
The steel sheet of the present invention is manufactured by hot-rolling a steel slab having a specified composition range, subjecting it to hot-rolled sheet annealing, and then cold-rolling to obtain a final sheet thickness, which is then subjected to continuous annealing to obtain a product. This is performed in accordance with a generally used method for manufacturing electrical steel sheets. However, in these series of manufacturing processes, the conditions are controlled as follows in order to obtain the above-described steel sheet magnetic properties.
[0059]
  Annealing of the hot-rolled sheet uses a box annealing method, when the P content of steel is P (%) and the rolling reduction ratio of cold rolling is R (%), the average grain size D after annealing (μm) But(ii)Annealing conditions are set so as to be within the range of the formula. By making this range, in particular B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}The ratio can be controlled to 0.45 or more. The value of D is(ii)If it is too smaller than the range defined by the formula, the target magnetic characteristics cannot be obtained.
  5 × R-500 × P-325 ≦ D ≦ 5 × R-500 × P-250(ii)
[0060]
  The crystal grain size after annealing is controlled by the annealing temperature and time. However, even at the same temperature and time, it is affected by the steel composition, impurity content, hot rolling conditions, etc., and therefore the optimum annealing temperature and time cannot be specified in general. Therefore, if the amount of P and the cold rolling reduction are determined, the annealing temperature and time may be selected so that D given by the above formula is obtained. If necessary, a specimen is taken from the hot-rolled steel sheet and subjected to the test annealing. Select the conditions. In particularFor exampletemperatureIs700-900At ℃is there.
[0061]
It is also possible to make the average crystal grains in the above range by annealing the hot-rolled sheet by the continuous annealing method. However, in the continuous annealing method, it is difficult to control the average crystal grains stably because the selection range of the conditions is narrow to make D within the above range. Moreover, even if it can be made the same average crystal grain size, the B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}In many cases, this ratio is less than 0.45, which is not preferable.
[0062]
As the atmospheric gas in the box annealing method, a mixture mainly containing nitrogen and about 3 to 10% of hydrogen is used. When substantially 100% high-purity hydrogen gas is used as the atmospheric gas, an electrical steel sheet with better magnetic properties can be obtained.
[0063]
【Example】
[Example 1]
C: 0.002%, Si: 1.8%, Mn: 0.2%, sol.Al: 0.3%, P: 0.09%, S: 0.002%, N: 0.0012%, Ti: 0.002% Steel slab (steel number 1) After heating at 1150 ° C., hot rolling was performed to a finish temperature of 850 ° C., and the hot-rolled sheet was annealed by changing the annealing method and temperature. In this hot-rolled sheet annealing, the soaking time was 2 hours for the box annealing method and 30 seconds for the continuous annealing method. The hot-rolled sheet was annealed and cold-rolled to the required thickness, annealed at 1030 ° C. for 30 seconds, and an insulating coating was applied to the surface. From the obtained steel plate, a test piece was collected by punching according to JIS-C-2550, and the magnetic properties were measured with a 25 cm Epstein test frame. The results are shown in Table 1.
[0064]
[Table 1]

[0065]
  As can be seen from the results in Table 1, the test numbers 1-1, 1-4, 1-5, 1-8, 1-11, 1-12, 1-14 and 1-17 are obtained after annealing the hot-rolled sheet. The crystal grain size of(ii)It is out of the range regulated by the formula, and the target magnetic characteristics are not obtained. Test Nos. 1-13 and 1-18 are hot-rolled sheet annealing by the continuous annealing method, and the crystal grain size after annealing is(ii)Although it falls within the range regulated by the equation, the performance of the steel sheet is lower than the target value defined in the present invention. On the other hand, all the steel plates manufactured under the conditions regulated by the present invention sufficiently satisfy the characteristic values set as targets.
[0066]
[Example 2]
C: 0.0020%, Si: 2.0%, Mn: 0.2%, sol.Al: 0.5%, S: 0.002%, N: 0.002% or less, Ti: 0.0025% or less, and various P contents With the changed steel slab, it was heated to 1130 ° C and then hot-rolled to a finish temperature of 900 ° C and a hot-rolled steel plate with a thickness of 2.0 mm. After annealing the hot-rolled steel sheet, it was cold-rolled to a thickness of 0.27 mm, annealed at 980 ° C. for 30 seconds, and an insulating coating was applied to the surface. About the obtained steel plate, it carried out similarly to Example 1, and measured the magnetic characteristic. The results are shown in Table 2.
[0067]
[Table 2]

[0068]
  As shown in Table 2, in the case of test number 2-8 where the P content exceeded the range defined in the present invention, breakage occurred in cold rolling. Test No. 2-6 uses hot-rolled sheet annealing as a continuous annealing method._{1 (1k)}/ B_{1 (400)}The ratio is less than the target valueIt was. TrialTest number2-3 ~ 2-5 and 2-7AnywayMossuIt shows a stray magnetic characteristic.
[0069]
Example 3
Steel slabs having the composition shown in Table 3 were heated at 1150 ° C. and hot-rolled to a finishing temperature of 900 ° C. to a thickness of 2.0 mm. As shown in Table 4, after hot-rolled sheet annealing was performed under various conditions, it was cold-rolled to a thickness of 0.27 to 0.5 mm, annealed at 1030 ° C. for 30 seconds, and an insulating coating was applied to the surface. About the obtained steel plate, it carried out similarly to Example 1, and measured the magnetic characteristic. Using the obtained steel plate, a motor and a generator were prototyped, and the efficiency of the motor and the output of the generator were measured. The motor is a 16-pole permanent magnet embedded type using a rare earth magnet, and the generator uses the aforementioned outer rotor type permanent magnet. These results are shown together in Table 4.
[0070]
[Table 3]

[0071]
[Table 4]

[0072]
  From Tables 3 and 4, the following can be seen. High C contentLow P contentSteel test number 3-1, Si contentAnd P contentIs below the regulation value of the present invention 3-2, Mn content exceeds the regulation valueP content is less than regulation value3-4, sol.Al contentAnd P content3-5 below the regulation value andsol. Al content isOver the limitP content is less than regulation value3-6 etc. are all B₅₀And W_10/400The relationship between and is negative, B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}The ratio is also below the target value. In Test No. 3-3, in which Si exceeded the regulation value of the present invention, the subsequent rolling was stopped because fracture occurred during cold rolling.
[0073]
  Also,P content is low,After hot-rolled sheet annealing(ii)Test Nos. 3-7, 3-8, and 3-9, which had crystal grain sizes outside the range regulated by the formula, also resulted in magnetic properties below the target. Exam numberissue Three-13 has a thickness exceeding the target range of the present invention, the cold rolling rate is low, as a result, the crystal grain size after hot-rolled sheet annealing(ii)The result is outside the range regulated by the formula, resulting in poor magnetic properties.
[0074]
On the other hand, test numbers 3-10, 3-11, 3-12 and 3-14 indicate that the steel composition, sheet thickness, and crystal grain size after hot-rolled sheet annealing are all within the range of conditions regulated by the present invention. As shown in the results of motor efficiency or generator output, excellent steel sheets for driving motors of high-performance electric vehicles or magnetic cores of generators for automobiles. It has become.
[0075]
【The invention's effect】
The non-oriented electrical steel sheet of the present invention has excellent iron loss and magnetic flux density at high frequencies, and contributes to improving efficiency and increasing output for iron cores such as generators mounted on vehicles and drive motors of electric vehicles. But it ’s big.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows iron loss W of a steel sheet used for an iron core of an outer rotor type small generator using a permanent magnet._10/400It is a figure which shows the relationship between and the efficiency of a generator.
[Fig. 2] Iron loss W of a steel plate used for an iron core of an outer rotor type small generator using a permanent magnet._10/400It is a figure which shows the relationship between and the output of a generator.
[Figure 3] Iron loss W_10/400And magnetic flux density B₅₀And the efficiency evaluation result of a small generator using the electromagnetic steel sheet as an iron core.
[Fig.4] Steel sheet B_{1 (1k)}/ B_{1 (400)}It is a figure which shows the relationship between this ratio, and the output and efficiency of a generator.

Claims (2)

化学組成が質量％で、Ｃ：0.005％以下、Ｓｉ：1.7％を超え3.0％以下、Ｍｎ：0.1〜1.
5％、sol.Ａｌ：0.1〜2.0％、Ｐ：0.07 ％を超え0.20％以下で、残部がＦｅおよび不純物からなり、板厚が0.15mm以上0.40mm以下であって、磁気特性として鉄損Ｗ_10/400（W/kg）と50Hzでの磁束密度Ｂ₅₀（T）との間に下記(i)式を満足する関係があり、かつ400Hzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ₁₍₄₀₀₎（T）と1kHzでの磁化力100A/mにおける磁束密度Ｂ_1(1k)（T）との比［Ｂ_1(1k)/Ｂ₁₍₄₀₀₎］が0.45以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
Ｂ₅₀≧0.006×Ｗ_10/400＋1.60 (i) Chemical composition is mass%, C: 0.005% or less, Si: more than 1.7% and 3.0% or less, Mn: 0.1 to 1.
5%, sol.Al: 0.1-2.0%, P: Over 0.07 % and 0.20% or less , the balance is Fe and impurities, the plate thickness is 0.15mm or more and 0.40mm or less. There is a relationship satisfying the following equation (i) between _10/400 (W / kg) and the magnetic flux density B ₅₀ (T) at ₅₀ Hz, and the magnetic flux density B _{1 (} at a magnetizing force of 100 A / m at 400 Hz _{: 400)} The ratio [B _{1 (1k)} / B _{1 (400)} ] of (T) and magnetic flux density B _{1 (1k)} (T) at a magnetizing force of 100 A / m at 1 kHz is 0.45 or more. non-oriented electrical steel sheet you.
B ₅₀ ≧ 0.006 × W _10/400 +1.60 (i) 請求項１に記載の化学組成を持つ鋼スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して最終板厚となし、連続焼鈍をおこなって製品とする一連の製造工程において、鋼のＰの含有量をＰ（％）、冷間圧延の圧下率をＲ（％）とするとき、冷間圧延前の結晶粒径Ｄ（μm）が下記(ii)式にて示される範囲となるように熱延板に箱焼鈍を施すことを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
5×Ｒ−500×Ｐ−325≦Ｄ≦5×Ｒ−500×Ｐ−250 (ii) A series of manufacturing steps in which a steel slab having the chemical composition according to claim 1 is hot-rolled and subjected to hot-rolled sheet annealing, followed by cold rolling to obtain a final sheet thickness, and continuous annealing to obtain a product. In this case, when the P content of steel is P (%) and the rolling reduction ratio of cold rolling is R (%), the crystal grain size D (μm) before cold rolling is expressed by the following formula (ii): The method for producing a non- oriented electrical steel sheet according to claim 1, wherein box annealing is performed on the hot-rolled sheet so as to be within a range.
5 x R-500 x P-325 ≤ D ≤ 5 x R-500 x P-250 (ii)

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