JP4855225B2 - 異方性の小さい無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、モーターやトランスのコア（鉄芯）材料として用いる異方性の小さい無方向性電磁鋼板に関する。

近年、環境保全や、省エネルギーの観点から、電気自動車への関心が高まり、駆動用モーターは、高速回転と小型化とともに、８００Ｈｚ前後が基本周波数となってきている。

このため、モーターのコア材料である無方向性電磁鋼板においては、渦電流損失を低減するため、板厚を薄くするとともに、固有抵抗を高め、さらに、鋼板強度（ローター剛性を上げる）を改善するため、Ｓｉ含有量及びＡｌ含有量を高める必要がある。

さらに、無方向性電磁鋼板には、モーターの初動トルクを改善するため、高い磁束密度も要求される。

モーターコアは、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて製造されるが、通常、無方向性電磁鋼板から、一つのコアを打ち抜くので、磁気特性は、鋼板の圧延方向（コイル長手方向、以下「Ｌ方向」ということがある。）、Ｌ方向と９０°の方向（コイル幅方向、以下「Ｃ方向」ということがある。）、Ｌ方向と４５°の方向の磁気特性において、差（異方性）が小さいことが望まれる（例えば、特許文献１〜４、参照）。

しかし、例示の特許文献１〜４では、磁束密度の異方性について研究、調査されているものの、現在の電気自動車に必要な高周波鉄損の異方性、特に、最も高周波鉄損が劣化しているＬ方向と５５°の角度をなす方向（以下、「Ｘ方向」ということがある。）の高周波鉄損に対する研究、調査が不足している。

また、再結晶焼鈍での炉中張力制御によって、鋼板のＬ方向とＣ方向の商用周波数での鉄損を調整する方法が知られているが、この方法も、最も高周波鉄損が劣化しているＸ方向の高周波鉄損を制御するものではない（例えば、特許文献５〜９、参照）。

特開２００６−４５６１３号公報 特開２００６−４５６４１号公報 特開２００６−１４４０３６号公報 特開２００６−１９９９９９号公報 特公昭４７−５０５号公報 特開昭５８−１２０７３３号公報 特開平３−２２３４２２号公報 特開平３−２７１３２３号公報 特開平７−１７９９４７号公報

本発明者は、無方向性電磁鋼板において、打ち抜かれたコアとしての磁気特性、特に、高周波鉄損を改善するため、最も高周波鉄損が劣化している方向の高周波鉄損を改善し、最も鉄損が優れているＬ方向の鉄損に近づける研究開発を行った。

その結果、高周波鉄損が方向で異なる高周波鉄損の異方性を改善するためには、強圧下の冷間圧延（以下「強圧下冷延」ということがある。）を行うことが有効であるが、一方で、全体的な角度における磁束密度が劣化することが判明した。

さらに、この磁束密度の劣化を防止するには、所定量のＳｎを添加することが有効であることが判明した。

しかし、鋼板の板厚を薄くし、かつ、Ｓｉ量及び／又はＡｌ量を増加すると、最も高周波鉄損が劣化している方向（Ｘ方向）において、異常に劣化した高周波鉄損を示す現象が頻発した。つまり、特定の方向の高周波鉄損が異常に低下し、結局、無方向性電磁鋼板が一体型コア用に適さないという問題に遭遇した。

そこで、本発明は、モーターコアとして最適な磁気特性を有する異方性の小さい無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明者は、質量％で、Ｓｉ：２〜４％、及び、Ａｌ：０．３〜２％を含有する０．１〜０．３ｍｍ厚の強圧下冷延による無方向性電磁鋼板において、Ｓｎを所定量添加して、｛１００｝ゴス方位粒を増加させて、鋼板面上の全体的な角度における磁気特性（高周波鉄損）を改善することを基本思想とし、一体型コア用として最適な磁気特性を確保する手段について、鋭意研究した。その結果、次の知見を得るに至った。

（ｘ）Ｌ、方向、Ｃ方向、及び、Ｘ方向の磁気特性（特に、高周波鉄損）の差（異方性）は、製品板厚、冷間圧延における圧下率（冷延率）、再結晶焼鈍時の鋼板幅収縮率の三つのファクターに関連するが、最終的に、これらを適切に制御すれば、異方性の小さい高周波鉄損Ｗ_10/800を確保することができる。

（ｙ）Ｌ方向とＣ方向の磁気特性を繋ぐ、Ｘ方向（Ｌ方向と５５°の方向）の磁気特性は、特に、高周波鉄損が最も大きく、その結果、コアとしての磁気特性を支配するといえるから、重要な指標であるところ、該磁気特性は、特に、再結晶焼鈍時における鋼板幅の収縮の程度（収縮率）に密接に関連する。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１） 質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：２〜４％、Ｍｎ：１％以下、Ａｌ：０．３〜２％、Ｓｎ：０．００３〜０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる熱延板に熱延板焼鈍を施した後、圧下率が８４．４〜９５％の冷間圧延を一回施し、次いで、再結晶焼鈍を、該焼鈍中の鋼板幅収縮率を０．５％以下に制御しつつ施して製造した０．１〜０．３ｍｍ厚の無方向性電磁鋼板であって、
圧延方向（Ｌ方向）の鉄損Ｗ_{１０／８００}(L)と、圧延方向と５５°の方向（Ｘ方向）の鉄損Ｗ_{１０／８００}(X)が、下記式（１）を満たす磁気特性を有する
ことを特徴とする異方性の小さい無方向性電磁鋼板。
Ｗ_{１０／８００}(X)／Ｗ_{１０／８００}(L)≦１．２０ ・・・（１）

（２） 前記磁気特性において、鉄損Ｗ_10/800が４０Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の異方性の小さい無方向性電磁鋼板。

（３） 前記熱延板焼鈍を９００℃超の温度で施すことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の異方性の小さい無方向性電磁鋼板。

本発明によれば、モーターコア、特に、一体打抜きコア用として最適な磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を提供することができる。

本発明は、質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：２〜４％、Ｍｎ：１％以下、Ａｌ：０．３〜２％、Ｓｎ：０．００３〜０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる熱延板に熱延板焼鈍を施した後、圧下率が８４．４〜９５％の冷間圧延を一回施し、次いで、再結晶焼鈍を施して製造した０．１〜０．３ｍｍ厚の無方向性電磁鋼板であって、
（ｉ）再結晶焼鈍中の鋼板幅収縮率を０．５％以下に制御しつつ、再結晶焼鈍を施すこと、及び
（ii）Ｌ方向の鉄損Ｗ_{１０／８００}(L)と、Ｘ方向（Ｌ方向と５５°の方向）の鉄損Ｗ_{１０／８００}(X)が、下記式（１）を満たす磁気特性を有すること
を特徴とする。
Ｗ_{１０／８００}(X)／Ｗ_{１０／８００}(L)≦１．２０ ・・・（１）

ここに、Ｗ_10/800は、磁束密度１．０Ｔ、周波数８００Ｈzでの鉄損である。

まず、熱延板の成分組成を限定する理由について説明する。なお、以下、％は、質量％を意味する。

Ｃは、鋼板を強化する元素であるが、磁気特性の点で有害な元素であり、極力低減するのが好ましいので、Ｃは、０．００５％以下に限定した。好ましくは、０．００３％以下である。

Ｓｉは、鋼板の電気抵抗を高め、鉄損を低減する元素であるので、２％以上を含有する。４％を超えて含有すると、鋼板が脆化し、また、所要の鉄損Ｗ_10/800が得られないので、Ｓｉの上限を４％とした。

Ｍｎは、熱間圧延時に、ＭｎＳとしてＳを固定し、熱間圧延時の鋼板耳割れを防止する元素である。固溶Ｍｎは、鋼板の電気抵抗を高め、鉄損を低減するが、Ｍｎが多すぎると、結晶粒成長性が阻害されるので、Ｍｎの上限を１％とした。

Ａｌは、Ｓｉと同様に、鋼板の電気抵抗を高め、鉄損を低減する元素であるので、０．３％以上含有させる。一方、２％を超えて含有すると、添加コストの問題や、飽和磁束密度の低下が懸念されるので、上限を２％とした。

Ｓｎは、Ｓｉ：２〜４％、及び、Ａｌ：０．３〜２％を含有する無方向性電磁鋼板において、強圧下冷延後の再結晶焼鈍時に、｛１００｝面方位粒を増加させ、特に、Ｌ方向とＣ方向の磁気特性（磁束密度）を改善するため、０．００３％以上含有する必要がある。一方、０．２％を超えて含有しても、上記改善効果は飽和するし、熱間脆性の問題で疵が増加するので、上限を０．２％とした。

本発明は、上記元素の他、不可避的不純物として、Ｓ、Ｐ、Ｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃａ、及び、ＲＥＭ等を、本発明の機械特性及び磁気特性を損なわない範囲で含有してもよい。ただし、従来どおり、不純物としてのＳ、Ｐ、及び、Ｎは少ないほうが好ましい。それら成分は、いずれも、０．００３％以下が好ましい。また、狙いの異方性を阻害しないことを確認した組成範囲は、Ｃｕ＜０．２％、Ｎｉ＜０．１％、Ｃｒ＜０．１％、Ｃａ＜０．０１％、Ｎｂ＜０．００２％、Ｔｉ＜０．００３％、ＲＥＭ＜０．０１％である。

本発明は、上記成分組成の熱延板に熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延を一回施し、次いで、再結晶焼鈍を施した０．１〜０．３ｍｍ厚の鋼板が、下記式（１）を満たす磁気特性を有することを特徴とする。
Ｗ_10/800(X)／Ｗ_10/800(L)≦１．２０ ・・・（１）

一般に、ステータコアを一体型で打ち抜いたモーターコアの性能は、方向別の鉄損において、最も劣化した鉄損に規制されると考えられる。つまり、Ｌ方向の鉄損特性が優れていても、他の方向の鉄損特性が大きく劣っていれば、モーターコアの性能は、その劣った鉄損特性に引きずられてしまい、優れたコア特性を得ることができない。

Ｓｉ及びＡｌが本発明範囲内にある、板厚０．１〜０．３ｍｍの高Ｓｉ、高Ａｌ系無方向性電磁鋼板の磁気特性を、角度５°毎に調査すると、高周波鉄損Ｗ_10/800の最悪値は、Ｌ方向から５５°回転した方向（Ｘ方向）であることが判明した。

このＸ方向は、従来、低周波特性の最悪値で知られていた４５°方向（Ｌ方向から４５°回転した方向）とは、微妙に異なる方向である。なぜ、高周波鉄損Ｗ_10/800の最悪値の方向が、Ｌ方向から５５°回転した方向（Ｘ方向）なのかの詳細については、今後の調査に待たなければならないが、本発明者は、高周波域での磁束の表皮効果が、鋼板の持つ集合組織の厚み方向の勾配と有機的に絡んだ結果ではないかと推定している。いずれにして、Ｗ_10/800(X)／Ｗ_10/800(L)は、無方向性電磁鋼板の適確性を判断する上で、極めて重要な指標である。

本発明において、Ｗ_10/800(X)／Ｗ_10/800(L)は、１．２０以下に規制する。１．２０超であれば、高周波鉄損の方向間の異方性が大きくなり、モーターコアとしての鉄損特性が不満である。

本発明は、熱延板に熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延を一回施し、次いで、再結晶焼鈍を施すことを要件とするものであるので、次に、好ましい製造要件について説明する。

熱延板焼鈍については、高温焼鈍が好ましい。この焼鈍により、熱延板の結晶粒径を粗大化すると、冷間圧延、再結晶後に、｛１１１｝方位粒が減少する傾向を示すので、焼鈍温度は、９００℃以上が好ましい。

冷間圧延における圧下率は、指標：Ｗ_{１０／８００}(X)／Ｗ_{１０／８００}(L)に敏感に影響するので重要である。圧下率が大きいと、Ｗ_{１０／８００}(X)／Ｗ_{１０／８００}(L)が改善されるが、９５％超では、磁束密度Ｂ₅₀の劣化が大きい。一方、圧下率が８０％未満であると、熱延板を、工業的に難しい薄い領域の板厚まで圧延することが必要となり、工業的に生産性が悪い。なお、本発明では、圧下率の下限を実施例で確認されている８４．４％とした。

無方向性電磁鋼板の製品板厚は、０．１〜０．３ｍｍとする。製品板厚を薄くすれば、高周波鉄損が改善されるが、０．１ｍｍ未満では、工業的に生産性が悪い。一方、製品板厚が０．３ｍｍ超であると、本発明の高周波鉄損Ｗ_10/800が不満となる。

再結晶焼鈍において、焼鈍中の鋼板のクリープ変形量、特に、鋼板の幅方向の縮みは、Ｘ方向の高周波鉄損に強く影響するので、重要である。

本発明の鋼板は、板厚が薄いこと、及び、高温焼鈍が必要であること（本発明は、高固有抵抗で薄いため、渦電流損が少ないので、結晶粒径は、比較的粗粒側の５０〜２００μｍが好ましい）から、再結晶焼鈍中に伸び変形し易く、鋼板幅が縮小するので、特に注意して、鋼板幅の縮小を制御する必要がある。

再結晶焼鈍中の鋼板変形量は、鋼板幅の収縮率で管理されなければならない。鋼板幅の収縮率は、再結晶焼鈍前後における鋼板幅の縮小量を、再結晶焼鈍前の鋼板幅で割り、１００を掛けたものである。

従来の鋼板伸び率で、Ｘ方向における高周波鉄損特性の劣化の程度を把握することは難しいが、本発明者は、鋼板幅の収縮率と、Ｘ方向の鉄損Ｗ_10/800(X)の相関がより優れていること見いだした。つまり、変形モードとしては、Ｃ方向（幅方向）に捕らえるほうが、Ｘ方向により近く、より適切であると推測される。

また、鋼板幅の管理は、携帯の巻尺で簡単に計測できるので簡便である（長手方向の伸びは、予め、鋼板表面にケガキ線などを入れ、その伸びから求めるので面倒である）。

鋼板幅の収縮率が大きくなると、Ｗ_10/800(X)／Ｗ_10/800(L)が劣化する。その限界が、０．５％である。鋼板幅の収縮率が、０．５％を超えると、鉄損の異方性が大きくなって不満である。

鋼板幅の収縮率は、炉中の鋼板張力、鋼板温度、ハースロール同士の周回速度のマッチィング程度、形状矯正用熱間レベラーでの鋼板変形量などによって左右されるので、これらを、適宜制御する。

また、鉄損Ｗ_10/800は、４０Ｗ／ｋｇ以下であることが好ましい。コンパクトなモーターコアにするための高速回転仕様に適用させるためである。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
鋼を真空溶解炉で溶解しつつ成分組成を調整し、表１に示す成分組成を有するインゴットを鋳造した。これを、１０００℃に加熱して、熱間圧延を施し、熱延板を得た。次いで、Ｎ₂雰囲気中、９００℃で２００秒均熱して焼鈍を施した。酸洗後、冷延して、０．２３ｍｍ厚（冷延率８０％と９２％）とした。

次いで、再結晶焼鈍を、Ｈ₂雰囲気中、１０５０℃、１５秒均熱して、実施した。平均結晶粒径は、１８０μｍであった。再結晶焼鈍での鋼板幅の収縮率は、０．１５％であった。磁気特性を、５５ｍｍ角ＳＳＴで、角度別に測定した。得られた結果を表１に示す。

磁束密度Ｂ₅₀は、磁化力５０００Ａ／ｍでの磁束密度（単位Ｔ）であり、Ｌ方向とＣ方向の測定値を平均したものである。Ｗ_10/800は、磁束密度１．０Ｔ、周波数８００Ｈzでの鉄損で、Ｌ方向とＣ方向の測定値を平均したものである。

なお、平均結晶粒径は、鋼板断面を光学顕微鏡で観察した組織において、Ｌ方向の線分と交差する結晶粒界の個数を数え、平均化して求めた。

Ａ値は、以下の式で定義される。
Ａ値＝Ｗ_10/800(X)／Ｗ_10/800(L)

実施例２以下もこれらの記号に準じるものとする。

Ｓｎ添加量が増えれば、Ａ値が小さくなって、異方性が改善され、また、磁束密度も良くなる傾向にある。特に、強圧下冷延において、Ｓｎ添加の効果が著しいことが分かる。

（実施例２）
質量％で、Ｃ：０．００３％、Ｓｉ：３％、Ｍｎ：０．１５％、Ａｌ：０．４％、Ｓ：０．０００１％、Ｎ：０．００１０％、Ｓｎ：０．０５％を含むインゴットを、１２００℃に加熱し、表２に示す各種の板厚の熱延板を得た。Ｎ₂雰囲気中で、１１５０℃で６０秒均熱して、熱延板焼鈍を実施してから、０．２８ｍｍ厚まで冷延した。

次いで、再結晶焼鈍を、２０％Ｈ₂＋８０％Ｎ₂雰囲気中で、９００℃、１０秒均熱して行った。平均結晶粒径は、５０μｍであった。鋼板幅の収縮率は、０．３％であった。得られた結果を表２に示す。

冷延率が増加すると、異方性を示すＡ値が改善されることが分かる。また、本発明範囲の冷延率において、優れた磁束密度が得られていることが分かる。

（実施例３）
質量％で、Ｃ：０．００２％、Ｓｉ：２．９％、Ｍｎ：０．２２％、Ａｌ：１．１％、Ｓ：０．００１％、Ｎ：０．００１２％、Ｓｎ：０．１２％を含むスラブを、１１５０℃に加熱し、１．８ｍｍ厚の熱延コイルを得た。

なお、その他の成分（不可避的不純物として）を分析すると、Ｐ：０．０２％、Ｃｕ：０．０９％、Ｎｉ：０．０４％、Ｃｒ：０．０５％、Ｃａ：０．００１３％、Ｖ：０．００１％、Ｔｉ：０．００２％、Ｎｂ：０．００１％、Ｍｏ：０．００２％、Ｓｂ：０．０００１％であった。

この熱延コイルを、Ｎ₂雰囲気中で、９１０℃で１００秒均熱して、熱延板焼鈍を実施し、その後、０．１１ｍｍまで冷延（冷延率９３．９％）した。鋼板幅は、１０００ｍｍとした。次いで、１０００℃、１５秒の均熱を、５０％Ｈ₂＋５０％Ｎ₂雰囲気を鋼板下から吹き付ける、いわゆるフローティング炉で行った。

炉中の鋼板張力を、０．１〜０．３ｋｇｆ／ｍｍ²とし、冷却ゾーンの７００℃で、熱間レベラー３本の中の中央ロールの押し込み量を調整して、鋼板幅の収縮率を変更した。平均結晶粒径は、１００μｍであった。結果を表３示す。

なお、Ｂ値＝Ｗ_10/800(C)／Ｗ_10/800(L) とした。

表３から、幅収縮率（鋼板幅の収縮率）が増加し、本発明の範囲を超えると、Ｘ方向の高周波鉄損が大きく劣化することが分かる。また、Ｂ値によれば、Ｃ方向の高周波鉄損は、幅収縮率が０．７１％までは問題が少ないようである。なお、Ｗ_15/50(C)／Ｗ_15/50(L)の指標で測定すると、実験Ｎｏ．１→５の順で、それぞれ、１．０９、１．１０、１．１０、１．１１、１．３５であった。

これらのことから、高周波鉄損の優れたコアを得るためには、鋼板の幅方向の収縮率を、本発明の範囲内に厳密に制御しなければならないことが分かる。

前述したように、本発明によれば、モーターやトランスのコア用として最適な磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を提供することができる。したがって、本発明は、無方向性電磁鋼板を素材として用いる電気機器製造産業において利用可能性が大きいものである。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：２〜４％、Ｍｎ：１％以下、Ａｌ：０．３〜２％、Ｓｎ：０．００３〜０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる熱延板に熱延板焼鈍を施した後、圧下率が８４．４〜９５％の冷間圧延を一回施し、次いで、再結晶焼鈍を、該焼鈍中の鋼板幅収縮率を０．５％以下に制御しつつ施して製造した０．１〜０．３ｍｍ厚の無方向性電磁鋼板であって、
   圧延方向（Ｌ方向）の鉄損Ｗ_{１０／８００}(L)と、圧延方向と５５°の方向（Ｘ方向）の鉄損Ｗ_{１０／８００}(X)が、下記式（１）を満たす磁気特性を有する
   ことを特徴とする異方性の小さい無方向性電磁鋼板。
   Ｗ_{１０／８００}(X)／Ｗ_{１０／８００}(L)≦１．２０ ・・・（１）
2. 前記磁気特性において、鉄損Ｗ_10/800が４０Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする請求項１に記載の異方性の小さい無方向性電磁鋼板。
3. 前記熱延板焼鈍を９００℃超の温度で施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の異方性の小さい無方向性電磁鋼板。