JP6724479B2 - 無方向性電磁鋼板、モータコア、及び無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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そのため、強度の上昇と、Bs(飽和磁化)の低下とのバランスを図る点から、高合金化された無方向性電磁鋼板としては、Pが添加された鋼板が知られている。
しかしながら、高効率モータは、さらなる高速回転化の検討が進められている。そのため、Pが添加された従来の無方向性電磁鋼板は、従来の高効率モータよりも、さらに高速回転で回転する高効率モータのコアの材料として適用された場合、磁気特性が低下する傾向が見られることが分かった。
ところで、高速回転する高効率モータのコアとして、無方向性電磁鋼板を適用すると、無方向性電磁鋼板には、遠心力による応力が加えられるために変形が生じる。その一方で、モータの回転が止まると、無方向性電磁鋼板の変形は戻る。これまで、無方向性電磁鋼板の磁気特性に及ぼす応力の影響ついて、磁歪との関連で検討された報告は見られる。しかしながら、弾性域から塑性域へ遷移する過程での微小な変形挙動(転位形成挙動)を制御することで高速回転モータの効率向上を図るという観点では、一般的には認識されていなかった。そこで、本発明者らは、この過程における無方向性電磁鋼板の変形を制御することで高速回転モータの効率を好ましく制御できると考え、検討を進めた。本発明者らの検討によれば、弾性域から塑性域へ遷移する過程における無方向性電磁鋼板の変形挙動が磁気特性に影響を及ぼすことが分かってきた。そこで、本発明者らは、上記過程での磁気特性の影響についてさらに検討を進めた。
0.5%≦Si≦4.0%、
0.2%≦Al≦2.0%、
0.1%≦Mn≦3.0%、
0.010%≦Sn≦0.150%、
C≦0.005%、
S≦0.010%、
N≦0.005%、
並びに、残部としてFeおよび不純物元素を含有し、
鋼板の伸び0.1%における引張強さをσA、および鋼板の伸び0.2%における引張強さをσBとしたとき、前記σAと前記σBとの差(σB−σA)が、40MPa≦(σB−σA)≦200MPaである無方向性電磁鋼板。
前記熱間圧延後の鋼板を焼鈍する熱延板焼鈍工程と、
前記焼鈍後の鋼板を冷間圧延する冷間圧延工程と、
前記冷間圧延後の鋼板を仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍工程であって、仕上げ焼鈍工程における鋼板の温度が80℃から40℃になるまでの間、5℃/秒以上の冷却速度で冷却する仕上げ焼鈍工程と、
を有する<1>または<2>に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本発明者らは、研究の結果、無方向性電磁鋼板が上記構成を有することで、高速回転する高効率モータのコアとして使用された場合であっても、磁気特性の低下が抑制されることを見出した。そして、本発明の無方向性電磁鋼板を高速回転する高効率モータのコアとして適用すると、モータ効率が向上することを見出した。その理由は定かではないが、例えば、次のように推測している。
例えば、図1は、無方向性電磁鋼板の応力−歪曲線(stress−strain curve)を示す模式図である。図1に示すように、電磁鋼板に荷重を負荷したときに変形する初期の領域(本明細書中では「比例域」と称する。)では、応力と歪との関係は、ほぼ完全に弾性率(ヤング率)に比例する。この比例域は、基本的には結晶格子の変形の範囲内の現象として理解される。
しかし、一般的には降伏応力以下と考えられている応力範囲(弾性域)でも、無方向性電磁鋼板に荷重をかけたときの変形が一定値を超えると、応力と歪との関係は、弾性率との厳密な比例関係から外れて変形が進行する領域(本明細書中では「初期硬化域」と称する。)となる。この初期硬化域では、何らかの新たな格子欠陥が発生していると考えられる。これは一般的には転位と考えることが自然であり、本明細書では新たな転位が発生するものとして説明する。初期硬化域では、荷重による変形により転位は発生するものの、荷重を除けば、転位のほとんどは、転位の発生とは逆方向に移動して、転位が消滅する。
また、引張強さσBは、少なくとも初期硬化域内の歪量で得られるものとする。一般的な無方向性電磁鋼板では、引張伸び0.2%において、比例域を超え、初期硬化域内となることが妥当と考えられる。そこで、本発明の無方向性電磁鋼板では、σBを引張伸び0.2%における引張強さの値で規定する。
図1より、σBが高い本発明鋼に相当する比例域の継続挙動を有する材料は、鋼板が微小に変形する程度の初期硬化域において、一定応力下での歪量、特に比例域を超えた範囲での歪量が、従来鋼よりも小さくなることが理解できる。
このように、Snの偏析は転位発生源となる粒界からの転位発生を抑制する効果を発揮すると考えられるが、一方で、CもSnと同様に粒界に偏析することが知られており、Cの偏析はSnが発揮する効果を打ち消してしまうものと思われる。
しかしながら、鋼板の温度が80℃から40℃に至るまでの間、5℃/秒以上の冷却速度で冷却することで、鋼中のSnは粒界へ偏析されるものの、鋼中のCは粒界への偏析が抑制される。以上から、鋼板の比例域が拡大するのは、このような現象に関連していると推測される。
そして、仕上げ焼鈍工程の冷却過程における鋼板の温度が80℃〜40℃に至るまでの間の冷却速度を5℃/秒以上とすることで、前述の作用が得られ、Snの含有量が上記範囲内で増加すると、鋼板の比例域の継続限界も拡大する。よって、上記理由により、Snの含有量の増加と共に、(σB−σA)が増加すると推測している。
上記関係を満たす無方向性電磁鋼板であれば、粒界脆化の問題を回避した上で、高速回転する高効率モータのコアに使用された場合の磁気特性の低下抑制効果を十分に得ることができる。
なお、鋼板の成分組成について、「%」は「質量%」である。
Siは鋼板の電気抵抗を高めて渦電流損を減少させ、鉄損を低減する作用がある。さらに、鋼板の集合組織を電磁鋼板に好ましいものとして磁束密度を向上させる。また鋼板の強度を高めるためにも利用される。
これらの効果を得るために、Siの含有量は、0.5%以上とする。Siの含有量は、1.5%以上であることが好ましく、2.0%以上であることがより好ましい。
Siの含有量が多すぎると、鋼板の飽和磁束密度が低下する。また、冷間圧延時の鋼板の割れが発生し易い。そのため、Siの含有量は4.0%以下とする。Siの含有量は3.8%以下であることが好ましく、3.6%以下であることがより好ましい。
ただし、Siを増加させても、弾性域での硬化挙動に関する比例域はそれほど大きくは変化しない。
Alは、Siとほぼ同程度の鋼の電気抵抗を高める作用があり、渦電流損を低減して鉄損を低減させることができる。さらに、鋼板の集合組織を電磁鋼板に好ましいものとして磁束密度を向上させる。また鋼板の強度を高めるためにも利用される。
そのため、Alの含有量は0.1%以上とする。Alの含有量は0.15%以上であることが好ましく、0.2%以上であることがより好ましい。
一方、Alの含有量が多すぎると、鋼板の飽和磁束密度が低下する。そのため、Alの含有量は2.0%以下とする。Al含有量は1.5%以下であることが好ましく、1.2%以下であることがより好ましい。
ただし、Alを増加させても、弾性域での硬化挙動に関する比例域はそれほど大きくは変化しない。
MnはSiと同様に鋼の電気抵抗を高め、鉄損を低減する作用がある。さらに、鋼板の集合組織を電磁鋼板に好ましいものとして磁束密度を向上させる。しかも、Mnは鋼板の飽和磁束密度低下量が小さい点も有利である。また鋼板の強度を高めるためにも利用される。そのため、Mnの含有量は0.1%以上とする。Mnの含有量は0.2%以上であることが好ましく、0.5%以上であることがより好ましい。
Mnの含有量が多すぎると、合金コストが上昇するため、Mnの含有量は2.0%以下とする。Mnの含有量は1.8%以下であることが好ましく、1.5%以下であることがより好ましい。ただし、Mnを増加させても、弾性域での硬化挙動に関する比例域はそれほど大きくは変化しない。
Snは鋼の集合組織に影響を及ぼし磁束密度を高める作用がある。また、Snは、前述のように、弾性域での硬化挙動に関する比例域の継続限界を拡大するために重要な元素である。このため、Snの含有量は、0.010%〜0.150%に限定する。
本発明の効果をより効果的に得る点で、Snの含有量は、好ましくは0.020%以上、さらに好ましくは0.030%以上である。他方、Snを過剰に含有させると鋼の靱性を損ない、鋼板に破断が生じやすくなる。そのため、Snの含有量は0.150%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.120%以下、さらに好ましくは0.100%以下である。
Cは、含有量が多いと、炭化物の析出量が増加することにより、鉄損に悪影響を及ぼすので少ないほどよい。したがって、Cの含有量は0.005%以下とすることがよい。
Cの含有量の下限は特に限定されないが、工業的な純化技術を考慮すると実用的にはCの含有量は0.0001%以上であり、製造コストも考慮すると0.0005%以上となる。
Sは、含有量が多いと、硫化物の増加により、鉄損に悪影響を及ぼすので少ないほどよい。したがって、Sの含有量は0.010%以下とすることがよい。
Sの含有量の下限は特に限定されないが、工業的な純化技術を考慮すると実用的にはSの含有量は0.0001%以上であり、製造コストも考慮すると0.0005%以上となる。
Nは、含有量が多いと、窒化物の増加により、鉄損に悪影響を及ぼすので少ないほどよい。したがって、Nの含有量としては0.005%以下とすることがよい。
Nの含有量の下限は特に限定されないが、工業的な純化技術を考慮すると実用的にはNの含有量は0.0001%以上であり、製造コストも考慮すると0.0005%以上となる。
鋼板の残部は、Feおよび不純物元素である。さらにFeに代えて任意元素として、P、Cr、Cu、Ni、Ti、Nb、Ca、Mg、REMなどを、無方向性電磁鋼板において公知の範囲で含有することは本発明の効果を失わせるものではない。ここで、不純物元素とは、原材料に含まれる成分、または、製造の過程で混入する成分であって、意図的に鋼板に含有させたものではない成分を指す。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の電磁鋼板は、特にSnが前述の範囲の量で添加されており、前述の通り、粒界に偏析したSnの作用、及びCの粒界偏析が抑制される作用が本発明の特徴的な比例域の継続限界の拡大を発現させる一因となっていると考えているが、単純にSnを含有させただけでは比例域の継続限界を拡大させる効果は十分に得られるものではない。比例域の継続限界が拡大した無方向性電磁鋼板は、鋼成分に加えて、以下の製造方法によることで得ることが可能なものである。
なお、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、本発明の無方向性電磁鋼板が有する弾性域での硬化挙動を示す鋼板が得られるのであれば、その製造方法は、特に限定されるものでないことは言うまでもない。
上記の冷却速度を得る方法としては、例えば、鋼板の温度が80℃になった時点で、鋼板を20℃の冷却水に浸漬するなどの方法が挙げられる。
熱間圧延工程は、例えば、上記の化学組成を有するスラブを加熱した後、熱間圧延する工程である。具体的には、上記の化学組成を有する鋼を、連続鋳造法又は鋼塊を分塊圧延する方法等の一般的な方法により得られたスラブとし、加熱炉に装入して熱間圧延を施す工程である。なお、スラブ温度が高い場合には加熱炉に装入しないで熱間圧延を施してもよい。この工程によって、熱間圧延板が得られる。
熱間圧延を施すときのスラブ加熱温度は特に限定されるものではないが、コストおよび熱間圧延性の観点から1000℃〜1300℃とすることが好ましい。スラブ加熱温度は、より好ましくは1050℃〜1250℃である。
熱間圧延を施すときの各条件は特に限定するものではないが、例えば、仕上げ温度は800℃〜1100℃、巻き取り温度は500℃〜750℃で行うことがよい。
熱延板焼鈍工程は、熱間圧延工程後の鋼板(熱間圧延板)を焼鈍する工程である。熱延板焼鈍は、箱焼鈍および連続焼鈍のいずれの方法で実施してもよい。
熱延板焼鈍を施す条件は特に限定されないが、例えば、設備への負荷や製造コストの観点から、焼鈍温度は800℃〜1250℃(好ましくは900℃〜1100℃)とし、焼鈍時間は1秒〜2時間(好ましくは20秒〜1時間)とすることがよい。
なお、必要に応じて、焼鈍する前の鋼板(熱間圧延板)、又は熱間圧延板を焼鈍した後の鋼板(焼鈍鋼板)を酸洗する酸洗工程を設けてもよい。
冷間圧延工程は、熱延板焼鈍工程で得た鋼板(焼鈍鋼板)を、冷間圧延する工程である。冷間圧延工程では、焼鈍鋼板を1回の冷間圧延により、所定の板厚の冷間圧延板としてもよく、又は、焼鈍鋼板に中間焼鈍を介して2回以上の冷間圧延により、所定の板厚の冷間圧延板としてもよい。最終の冷間圧延における圧下率(最終冷間圧下率)は78%以上とすることがよい。また、冷間圧延終了後の冷間圧延板の板厚は、目的とする板厚にすればよいが、例えば、0.15mm〜0.50mmの範囲とするのがよい。
仕上げ焼鈍工程は、冷間圧延工程後の鋼板(冷間圧延板)を仕上げ焼鈍する工程である。仕上げ焼鈍工程における諸条件は特に規定されるものではないが、設備への負荷や製造コストの観点から、仕上げ焼鈍温度は850℃〜1100℃(好ましくは850℃〜1050℃)、仕上げ焼鈍時間は5秒〜5時間(好ましくは10秒〜3時間)とすることが好ましい。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、例えば、必要に応じて、仕上げ焼鈍工程後の鋼板(無方向性電磁鋼板)の表面に絶縁膜を設ける絶縁膜形成工程を有していてもよい。絶縁膜は、例えば、有機成分のみ、無機成分のみ、又は有機成分と無機成分との混合物からなる絶縁被膜が挙げられる。また、絶縁膜は、加熱・加圧することにより接着能を発揮する絶縁膜であってもよい。接着能を発揮する絶縁膜の材料としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、又はメラミン樹脂などが挙げられる。
したがって、本発明の無方向性電磁鋼板は、モータコアの材料として好適である。具体的には、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等に搭載される駆動モータ;エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ;二輪車および家庭用コージェネレーションシステムに搭載される小型発電機;などの高速回転(例えば、10000rpm)する高効率モータのコアの材料として好適である。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板を使用したモータコアの一例について図を参照して説明する。
モータコアを製造する方法としては、特に限定されず、通常工業的に採用されている製造方法によって製造すればよい。具体的には、例えば、まず、本発明の無方向性電磁鋼板を所定の形状に打ち抜き、所定の枚数の打ち抜き板を作製する。打ち抜き板は、所定の形状に打ち抜かれるときに、積層して一体化するための凹凸部が形成される。
次に、所定の形状に打ち抜かれた打ち抜き板は、所定の枚数の打ち抜き板が積層され、かしめ加工される。かしめ加工により、各々の打ち抜き板に形成された凹凸部が機械的に相互に嵌め合わされて固定され、打ち抜き板が一体化された積層体が得られる。この得られた積層体をモータコアとする。又は、必要に応じて、この積層体に焼鈍を施した後、モータコアとしてもよい。
以上の工程により、種々の無方向性電磁鋼板を得る。種々の無方向性電磁鋼板について、後述する評価を行う。
なお、表1において、「FA工程」は「仕上げ焼鈍工程」を示す。
得られた各例の無方向性電磁鋼板について、下記に示す各評価を行う。
単板特性及び引張り歪0.2%付与時の特性の各条件において、下記物性を測定して磁気特性を評価する。
・単板特性(無負荷):単板磁気特性試験法(JIS C 2556)の条件で測定する。
・引張り歪0.2%付与時の特性:単板特性での評価に用いた装置と同じ装置を使用し、引張り変形を付加(引張り変形は励磁方向に平行な向きに伸び0.2%を付加)した状態で磁気特性を測定する。
・磁束密度:B50(T)(磁化力5000A/mにおける磁束密度)
・鉄損:W10/800(最大磁束密度1.0T、周波数800Hzの条件下での鉄損)
・σA、σB、及びσB−σA
無方向性電磁鋼板の伸び0.1%における引張強さ(σA)、及び、伸び0.2%における引張強さ(σB)を既述の方法により測定する。そして、得られた各値から、σB−σAを求める。なお、単位は、MPaである。
種々の無方向性電磁鋼板から、圧延方向のサイズが300mm、圧延方向に直交する方向のサイズが60mmの鋼板を30枚打ち抜く。その後、30枚の鋼板を互いに積層して、かしめ加工により積層体を得る。続いて、この積層体を750℃、2時間の条件で焼鈍を行う。そして、この焼鈍後の積層体をモータコアとする。
次に、このモータコアをインバータ制御で駆動される4極の永久磁石埋め込み式同期モータに組み込み、モータ効率の評価を行う。モータ効率は、回転数5000rpmで回転させた場合、10000rpmで回転させた場合、及び、回転数15000rpm回転で回転させた場合について評価する。
なお、モータ効率は、下記式で表される入力電気エネルギーに対する出力電気エネルギーの比で算出される値である。
式:モータ効率=(出力電気エネルギー/入力電気エネルギー)×100
Claims (5)
- 質量%で
0.5%≦Si≦4.0%、
0.2%≦Al≦2.0%、
0.1%≦Mn≦3.0%、
0.010%≦Sn≦0.150%、
C≦0.005%、
S≦0.010%、
N≦0.005%、
並びに、残部としてFeおよび不純物元素からなる、
鋼板の伸び0.1%における引張強さをσA、及び鋼板の伸び0.2%における引張強さをσBとしたとき、前記σAと前記σBとの差(σB−σA)が、40MPa≦(σB−σA)≦200MPaである無方向性電磁鋼板。 - 前記Snの含有量をSnc(質量%)としたとき、前記σAと前記σBとの差、及び前記Sncの関係が、(σB−σA)≧600×Snc+35を満足する請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
- 請求項1又は請求項2に記載の無方向性電磁鋼板を使用したモータコアであって、回転数10000rpm以上で回転するモータに使用されるモータコア。
- 請求項1に記載の化学組成を有するスラブを加熱した後、熱間圧延する熱間圧延工程と、
前記熱間圧延後の鋼板を焼鈍する熱延板焼鈍工程と、
前記焼鈍後の鋼板を冷間圧延する冷間圧延工程と、
前記冷間圧延後の鋼板を仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍工程であって、仕上げ焼鈍工程における鋼板の温度が80℃から40℃になるまでの間、5℃/秒以上の冷却速度で冷却する仕上げ焼鈍工程と、
を有する請求項1または請求項2に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記仕上げ焼鈍工程における鋼板の温度が850℃から500℃になるまでの間、4MPa以下の張力で冷却する請求項4に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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