JP4267563B2 - 回転機のロータ用鉄心素材 - Google Patents

Description

本発明は、回転機のロータ用鉄心素材として用いられる無方向性電磁鋼板、特に、回転時の応力あるいは加減速時の繰り返し応力変動に耐え得る、優れた機械特性と磁気特性を兼ね備えた降伏強度の高い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、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。

このような動きの中で、最近の目覚しいエレクトロニクス技術の発達と相俟って、回転機分野においては駆動システムの高度化により、さまざまな回転機駆動制御が可能になりつつある。すなわち、駆動電源の周波数制御により、可変速運転、商用周波数以上での高速運転を可能とした回転機が増加し、上記の高効率化、小型化を推進する上での主要技術となりつつある。

ところで、このような高速回転機の実現には、高速回転時の応力に耐え得る構造のロータとする必要がある。一般に、回転機のロータ鉄心に作用する遠心力は回転半径に比例し、かつ回転速度の二乗に比例する。このため高速回転機のロータには非常に大きな応力が作用し、ロータ鉄心素材としては高張力であることが要求される。

一般に回転機のロータ鉄心には、積層した無方向性電磁鋼板が使用される場合が多いが、上記のような高速回転機では所要の機械強度を満足できない場合があり、その際には中実の鋳鋼製のロータが使用されることもあった。しかし、回転機のロータは磁気現象を活用するものであるから、その鉄心素材としては機械特性と同時に磁気特性に優れていることが必要である。すなわち中実鋳鉄製ロータでは、一体物であるために鉄心の渦電流損が非常に大きくなり、電磁鋼板を積層したロータに比べ回転機効率が著しく低下するという問題があった。さらに、ロータ鉄心素材の磁束密度が低いと、所要のトルクを発生させるための必要磁束をロータに流すためには励磁アンペアターンを大きくしなければならず、励磁コイルでの銅損の増大に繋がる。

このように、高速回転機のロータ鉄心素材としては、機械特性的には高い降伏強度及び引張強度を有し、かつ磁気特性的、特に高速回転に伴い高周波鉄損に優れていることが望ましい。鋼板の機械強度を高める手段として、冷延鋼板の分野では一般に、固溶強化、析出強化、加工強化、細粒化強化、変態組織による強化等の方法が用いられるが、高い機械強度と低い鉄損とは物理的に相反する関係にあり、これらを同時に満足させることは極めて困難であった。

しかし最近では、高張力を有する無方向性電磁鋼板について幾つかの提案がなされてきている。例えば特許文献１のように、Ｓｉ含有量を３．５〜７．０％と高め、これに固溶強化の大きい元素を添加し抗張力を高める方法が提案されているが、この方法では、Ｓｉ含有量に依存している割合が高いために、熱延板から最終冷延厚みに圧延するに際して、１００〜６００℃での温間圧延が必要になる等、製造工程上の課題があった。
さらに、この技術によって得られる鋼板の磁束密度Ｂ50は１．５６〜１．６１Ｔと、通常の無方向性電磁鋼板に比較し低いという問題もあった。

また特許文献２では、Ｓｉ含有量を２．５〜７．０％と高め、これに固溶強化の大きい元素を添加した溶鋼を急冷凝固法により鋼帯となし、これを温間または冷間圧延し、焼鈍を施して高張力無方向性電磁鋼板を製造する方法が提案されている。この方法によれば、Ｓｉ含有量を高めても、急冷凝固法であるため圧延時の脆化問題は緩和されるものの、急冷凝固法という特殊な鋳造法を用いねばならず、工業的に広く用いられている通常の圧延法には適用し難いという問題があった。

さらに特許文献３では、Ｓｉ含有量は２．０〜３．５％とし、ＮｉあるいはＮｉとＭｎ含有量を高め、通常の冷間圧延を施し、焼鈍条件を制御することにより得られる降伏強度≧６０kgf/mm² （５８８．４ＭＰａ）級の高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。
また特許文献４では、Ｓｉ含有量は２．０〜４．０％とし、ＮｉあるいはＮｉとＭｎ含有量を高めるとともに、Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｖの炭窒化物による析出強化を図ることによる降伏強度≧７０kgf/mm² （６８６．５ＭＰａ）級の高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。

しかし、これら特許文献３，４の高張力無方向性電磁鋼板では、磁気特性の劣化を最小限に抑えつつ、通常の無方向性電磁鋼板に比較し高い降伏強度を得ているものの、実際の高速回転において問題となる高周波鉄損の低減は十分ではなく、高速回転機のロータ鉄心として使用した場合に発熱が大きく、回転機効率が大幅に低下するという問題があった。
特開昭６０−２３８４２１号公報 特開昭６１−９５２０号公報 特開昭６２−２５６９１７号公報 特開平 ２−８３４６号公報

上記に鑑み本発明は、機械特性および磁気特性ともに優れた、高い引張強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板である回転機のロータ用鉄心素材を提供するものである。

本発明者らは、無方向性電磁鋼板において、固溶強化、析出強化、加工強化、細粒化強化、変態組織による強化等の方法を用いて、機械特性と同時に磁気特性に優れた鋼板とすることはできないかとの観点から鋭意研究を進めると共に、実際の高速回転機において重要となる高周波鉄損はどのような指標、言い換えればどの周波数の鉄損を低減すれば良いかとの調査、解析を積み重ねてきた。

その結果、通常の無方向性電磁鋼板の製造工程で通板可能な範囲のＳｉ含有量を基本に、Ｎｉ，Ｍｎ等の元素添加、およびＺｒ炭窒化物を活用し、さらには製品板厚を０．３０ｍｍ以下とすることにより、９００ＭＰａ以上の高い引張強度と磁気特性を兼備することが可能であることを見出し、かつ磁気特性としては、１．０Ｔで１０００Ｈｚの高周波鉄損低減が最も重要であることも導き出した。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであり、その要旨は次の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０５％以下、 Ｎ ：０．０１％以下、
Ｓｉ：２．８〜４．０％、 Ａｌ：３．０％以下、
Ｐ ：０．２％以下、
および、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％の少なくとも一種を含有し、
かつ、０．１＜Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＺｒを含有し、残部Ｆｅおよび不可
避不純物元素からなり、板厚≦０．３０ｍｍとし、引張強度≧９００ＭＰａ、高周波鉄損Ｗ１０／１０００≦１００ｗ／ｋｇの特性を備えた無方向性電磁鋼板であることを特徴とする回転機のロータ用鉄心素材。
（２）前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｂ：０．００１〜０．００７％を含有することを
特徴とする前記（１）記載の回転機のロータ用鉄心素材。

本発明によれば、機械特性および磁気特性ともに優れた、高い引張強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を得ることができ、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。
Ｓｉは、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより、高周波鉄損を含め鉄損を低減する作用を有すると同時に、固溶強化により鋼の張力を高める作用を有する成分であり、これらの作用を奏するためには２．８％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が増えると磁束密度が低下し、また冷延などの作業性の低下や鋼板の脆化、さらにはコスト高をも招くので、４．０％以下とする。

Ａｌも、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、高周波鉄損を含め鉄損を低減する作用のある成分であり、さらに一層の高周波鉄損の低減を図る場合には３．０％以下の範囲で添加する。その含有量が３．０％を超えると、磁束密度が低下し、冷延などの作業性の低下や鋼板の脆化、さらにはコスト高をも招く。

引張強度≧９００ＭＰａを得るためには、さらにＮｉ，Ｍｎの少なくとも一種を含有させる。この場合Ｎｉは、固溶強化により鋼の張力を高める効果を有すると共に、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損も含め鉄損を低減する効果を有し、かつ、飽和磁気モーメントの増大を活用することにより磁束密度の向上に寄与する。
これらの効果を得るためには０．５％以上添加する必要がある。しかし、その含有量が増えると、逆に飽和磁気モーメントの低下に起因した磁束密度の低下が生じ、かつコスト高ともなるので、４．０％以下とする。

Ｍｎは、固溶強化および細粒化強化により鋼の張力を高める効果を有すると共に、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することにより、高周波鉄損を含め鉄損を低減する効果を有する。これらの効果を得るためには０．５％以上添加する必要がある。しかし、その含有量が増えると磁束密度が低下し、またコスト高ともなるので、２．０％以下とする。

Ｐは、鋼の張力を高める効果が非常に大きい元素であるが、結晶粒界に偏析することから鋼の脆化をもたらす場合もある。この粒界偏析による脆化を避けて、通常の無方向性電磁鋼板の製造工程での通板を可能にすると共に、鋼板の脆化を避けるために０．２％以下の範囲で添加する。

Ｚｒは微細に析出した炭窒化物を形成し、析出強化および細粒化強化により鋼の張力を高める効果を有する。無方向性電磁鋼板において炭窒化物を形成する元素には、Ｚｒの他にもＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ等、種々の元素があるが、特に本発明のＺｒの場合には、炭窒化物による析出強化効果が大きいと同時にそれに伴う磁化特性劣化が少ない。これは、Ｚｒ炭窒化物の析出形態が、無方向性電磁鋼板における析出強化には功を奏す一方、磁壁移動等を通じての磁化過程には影響を及ぼし難いためと推察される。
この効果を得るためには、Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）が０．１超である必要があり、またその含有量が増えても再結晶温度の上昇、さらには鋼板の脆化も招くので、Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）で１．０未満とする。この場合、炭窒化物形成のためのＣとＮはそれぞれ、０．０５％以下、０．０１％以下とする必要がある。Ｃが０．０５％を、Ｎが０．０１％を超えて含有された場合には、磁気時効等により鉄損特性が著しく劣化する。

上述の成分以外は、Ｆｅおよび不可避不純物元素であるが、高張力化に伴う結晶粒界の脆化を回避する目的で、必要に応じてＢを添加してもよい。この場合、Ｂは０．００１％以上添加する必要がある。一方その含有量が増えても、磁束密度の低下や、通常の無方向性電磁鋼板の製造工程における熱間圧延時の脆化等をもたらすので、０．００７％以下とする。

前記成分からなる無方向性電磁鋼板の引張強度は９００ＭＰａ以上とすることができる。引張強度が９００ＭＰａ未満では、高速回転機のロータ鉄心素材として使用された場合に、十分な高速回転を実現し、回転機の高効率化、小型化を満足することができない。
また、引張強度が９００ＭＰａ以上であっても、高速回転機のロータ鉄心として使用した場合に、高周波鉄損鋼板により発熱し回転機効率が低下したのでは技術的価値がない。

そこで、Ｃ：０．０３７％、Ｓｉ：３．２６％、Ａｌ：０．７４％、Ｎｉ：２．１５％、Ｐ：０．０２％、Ｎ：０．００２％、Ｚｒ：０．０５１％を含有する鋼（Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）：０．１６）を熱間圧延後、表１に示した板厚まで冷間圧延した後、８００℃で２０秒間の連続仕上焼鈍を施した。その後、エプスタイン試料および引張試験片を切り出し、磁気特性および機械特性を測定した。

表１に示すように、Ｎｏ．Ｂは、引張強度は９００ＭＰａ以上と高張力であるものの、板厚が０．３０ｍｍ超と厚いため、高周波鉄損Ｗ１０／１０００は１００ｗ／ｋｇ超となっている。高周波鉄損が１００ｗ／ｋｇを超えた場合には、高速回転機のロータ鉄心として使用した場合に発熱が大きくなり、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換ロスの増大が生じ、回転機効率の低下をもたらすと共に、回転機自体の温度も上昇し、回転機性能の安定性にも影響をおよぼすため、鋼板の板厚は０．３０ｍｍ以下とした。

次に本発明の実施例を示す。
表２に示した成分の鋼を熱間圧延後、０．２０ｍｍ厚みに冷間圧延した後、７７０℃で２０秒間、連続仕上焼鈍を施し、その後、エプスタイン試料に切断し磁気特性を測定すると共に、引張試験片に加工し機械特性を測定した。
表３に示すように、Ｎｏ．１は、高周波鉄損Ｗ１０／１０００は１００ｗ／ｋｇ以下と良好であるものの、Ｚｒ炭窒化物を活用していないため、引張強度が９００ＭＰａ未満となっている。Ｎｏ．２は、Ｚｒを添加してはいるものの、０．１＜Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲に制御していないため、やはり引張強度が９００ＭＰａ未満となっている。 表３から明らかなように、本発明によれば、機械特性および磁気特性ともに優れた、高い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわかる。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０５％以下、 Ｎ ：０．０１％以下、
   Ｓｉ：２．８〜４．０％、 Ａｌ：３．０％以下、
   Ｐ ：０．２％以下、
   更にＮｉとＭｎを、Ｎｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．５〜２．０％の少なくとも
   一種を含有し、
   かつ、０．１＜Ｚｒ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＺｒを含有し、残部Ｆｅおよび不可
   避不純物元素からなり、板厚≦０．３０ｍｍとし、引張強度≧９００ＭＰａ、高周波鉄損Ｗ１０／１０００≦１００ｗ／ｋｇの特性を備えた無方向性電磁鋼板であることを特徴とする回転機のロータ用鉄心素材。
2. 質量％でさらに、Ｂ：０．００１〜０．００７％を含有することを特徴と
   する請求項１に記載の回転機のロータ用鉄心素材。