JP7243938B1 - 無方向性電磁鋼板、鉄心、鉄心の製造方法、モータ、およびモータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2021年7月30日に、日本に出願された特願2021-126289号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
質量%で、
C :0.005%以下、
Si:1.0%以上5.0%以下、
sol.Al:1.7%以下、
Mn:3.0%以下、
P :0.3%以下、
S :0.01%以下、
N :0.01%以下、
B :0.10%以下、
O :0.10%以下、
Mg:0.10%以下、
Ca:0.01%以下、
Ti:0.10%以下、
V :0.10%以下、
Cr:5.0%以下、
Ni:5.0%以下、
Cu:5.0%以下、
Zr:0.10%以下、
Sn:0.10%以下、
Sb:0.10%以下、
Ce:0.10%以下、
Nd:0.10%以下、
Bi:0.10%以下、
W :0.10%以下、
Mo:0.10%以下、
Nb:0.10%以下、
Y :0.10%以下、
を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
板厚が0.10mm以上0.35mm以下であり、
平均結晶粒径が30μm以上200μm以下であり、
下記(式1)で規定されるX値が0.800以上0.845未満であり、
磁束密度1.0T、周波数1kHzで励磁した際の鉄損W10/1kが80W/kg以下である
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
X=(2×B50L+B50C)/(3×Is) (式1)
(ここで、
B50Lは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延方向の磁束密度、
B50Cは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延直角方向の磁束密度、
Isは室温における自発磁化である。)
(2)上記(1)に記載の無方向性電磁鋼板では、
前記化学組成として、質量%で、
Si:3.25%超5.0%以下
を含有してもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載の無方向性電磁鋼板では、
前記化学組成として、質量%で、
C :0.0010%以上0.005%以下、
sol.Al:0.10%以上1.7%以下、
Mn:0.0010%以上3.0%以下、
P :0.0010%以上0.3%以下、
S :0.0001%以上0.01%以下、
N :0.0015%超0.01%以下、
B :0.0001%以上0.10%以下、
O :0.0001%以上0.10%以下、
Mg:0.0001%以上0.10%以下、
Ca:0.0003%以上0.01%以下、
Ti:0.0001%以上0.10%以下、
V :0.0001%以上0.10%以下、
Cr:0.0010%以上5.0%以下、
Ni:0.0010%以上5.0%以下、
Cu:0.0010%以上5.0%以下、
Zr:0.0002%以上0.10%以下、
Sn:0.0010%以上0.10%以下、
Sb:0.0010%以上0.10%以下、
Ce:0.001%以上0.10%以下、
Nd:0.002%以上0.10%以下、
Bi:0.002%以上0.10%以下、
W :0.002%以上0.10%以下、
Mo:0.002%以上0.10%以下、
Nb:0.0001%以上0.10%以下、
Y :0.002%以上0.10%以下、
の少なくとも1種を含有してもよい。
(4)上記(1)~(3)の何れか1つに記載の無方向性電磁鋼板では、
前記化学組成として、質量%で、
Siおよびsol.Alの合計含有量が4.0%超
であってもよい。
(5)上記(1)~(4)の何れか1つに記載の無方向性電磁鋼板では、
前記X値が0.800以上0.830未満であってもよい。
(6)本発明の一態様にかかる鉄心は、上記(1)~(5)の何れか1つに記載の無方向性電磁鋼板を含んでもよい。
(7)本発明の一態様にかかる鉄心の製造方法は、上記(1)~(5)の何れか1つに記載の無方向性電磁鋼板を加工し、積層する工程を有してもよい。
(8)本発明の一態様にかかるモータは、上記(6)に記載の鉄心を含んでもよい。
(9)本発明の一態様にかかるモータの製造方法は、上記(1)~(5)の何れか1つに記載の無方向性電磁鋼板を加工し積層して鉄心を製造する工程、および上記鉄心を組み立てる工程を有してもよい。
まず、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の化学組成の限定理由について説明する。
C(炭素)は、不純物として含有され、磁気特性を劣化させる元素である。したがって、C含有量は0.005%以下とする。好ましくは、0.003%以下である。C含有量は、少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、工業的に含有量を0%にすることは容易ではないので、下限値を、0%超としてもよく、0.0010%としてもよい。
Si(ケイ素)は、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な元素である。したがって、Si含有量は1.0%以上とする。また、Siは、一体打抜き型鉄心用の無方向性電磁鋼板として、磁気特性と機械的な異方性とを両立させるのに有効な元素である。この場合、Si含有量は、3.25%超であることが好ましく、3.27%以上であることがさらに好ましく、3.30%以上であることがさらに好ましく、3.40%以上であることがさらに好ましい。一方、過剰に含有させると磁束密度が著しく低下する。したがって、Si含有量は5.0%以下とする。Si含有量は、4.0%以下であることが好ましく、3.5%以下であることがさらに好ましい。
Al(アルミニウム)は、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な選択元素であるが、過剰に含有させると磁束密度が著しく低下する。このため、sol.Al含有量は2.5%未満とする。sol.Alは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、sol.Al含有量を0.10%以上とすることが好ましい。なお、sol.Alは、酸可溶性アルミニウムを意味する。
Mn(マンガン)は、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な選択元素である。ただ、Mnは、SiやAlに比べて合金コストが高いため、Mn含有量が多くなると経済的に不利となる。このため、Mn含有量は3.0%以下とする。好ましくは2.5%以下である。Mnは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Mn含有量は、0.0010%以上であることが好ましく、0.010%以上であることがさらに好ましい。
P(リン)は、一般に不純物として含有される元素である。ただ、無方向性電磁鋼板の集合組織を改善して磁気特性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Pは固溶強化元素でもあるため、P含有量が過剰になると、鋼板が硬質化して冷間圧延が困難になる。このため、P含有量は0.3%以下とする。P含有量は、0.2%以下であることが好ましい。Pは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、P含有量は、0.0010%以上であることが好ましく、0.015%以上であることがさらに好ましい。
S(硫黄)は、不純物として含有され、鋼中のMnと結合して微細なMnSを形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害し、無方向性電磁鋼板の磁気特性を劣化させる。このため、S含有量は0.01%以下とする。S含有量は、0.005%以下であることが好ましく、0.003%以下であることがさらに好ましい。S含有量は、少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、工業的に含有量を0%にすることは容易ではないので、下限値を0.0001%としてもよい。
N(窒素)は、不純物として含有され、Alと結合して微細なAlNを形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害し、磁気特性を劣化させる。このため、N含有量を0.01%以下とする。N含有量は、0.005%以下であることが好ましく0.003%以下であることがさらに好ましい。N含有量は、少ないことが好ましいので、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、工業的に含有量を0%にすることは容易ではないので、下限値は、0.0001%以上としてもよく、0.0015%超としてもよく、0.0025%以上としてもよい。
Sb:0%以上0.10%以下
Sn(錫)およびSb(アンチモン)は、無方向性電磁鋼板の集合組織を改善して磁気特性(例えば、磁束密度)を向上させる作用を有する選択元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、過剰に含有させると、鋼を脆化させて冷延破断を引き起こすことがあり、また磁気特性を劣化させることがある。このため、SnおよびSbの含有量はそれぞれ0.10%以下とする。SnおよびSbは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Sn含有量は、0.0010%以上であることが好ましく、0.01%以上であることがさらに好ましい。また、Sb含有量は、0.0010%以上であることが好ましく、0.002%以上であることが好ましく、0.01%以上であることがさらに好ましく、0.025%超であることがさらに好ましい。
Ca(カルシウム)は、粗大な硫化物を生成することで微細な硫化物(MnS、Cu2S等)の析出を抑制するので介在物制御に有効な選択元素であり、適度に添加すると結晶粒成長性を向上させて磁気特性(例えば、鉄損)を向上させる作用を有する。しかしながら、過剰に含有させると、上記作用による効果は飽和してコストの増加を招く。したがって、Ca含有量は0.01%以下とする。Ca含有量は、0.008%以下であることが好ましく、0.005%以下であることがさらに好ましい。Caは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Ca含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。Ca含有量は、0.001%以上であることが好ましく、0.003%以上であることがさらに好ましい。
Cr(クロム)は、固有抵抗を高めて、磁気特性(例えば、鉄損)を向上させる選択元素である。しかしながら、過剰に含有させると、飽和磁束密度を低下させることがあり、また上記作用による効果は飽和してコストの増加を招く。したがって、Cr含有量は5.0%以下とする。Cr含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.1%以下であることがさらに好ましい。Crは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Cr含有量は0.0010%以上であることが好ましい。
Ni(ニッケル)は、磁気特性(例えば、飽和磁束密度)を向上させる選択元素である。しかしながら、過剰に含有させると、上記作用による効果は飽和してコストの増加を招く。したがって、Ni含有量は5.0%以下とする。Ni含有量は、0.5%以下であることが好ましく、0.1%以下であることがさらに好ましい。Niは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Ni含有量は0.0010%以上であることが好ましい。
Cu(銅)は、鋼板強度を向上させる選択元素である。しかしながら、過剰に含有させると、飽和磁束密度を低下させることがあり、また上記作用による効果は飽和してコストの増加を招く。したがって、Cu含有量は5.0%以下とする。Cu含有量は、0.1%以下であることが好ましい。Cuは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Cu含有量は0.0010%以上であることが好ましい。
Ce(セリウム)は、粗大な硫化物、酸硫化物を生成することで微細な硫化物(MnS、Cu2S等)の析出を抑制し、粒成長性を良好にして鉄損を低減させる選択元素である。しかしながら、過剰に含有させると、硫化物および酸硫化物以外に酸化物も生成し、鉄損を劣化させることがあり、また上記作用による効果は飽和してコストの増加を招く。したがって、Ce含有量は0.10%以下とする。Ce含有量は、0.01%以下であることが好ましく、0.009%以下であることがさらに好ましく、0.008%以下であることがさらに好ましい。Ceは、下限値を制限する必要がなく、下限値が0%でもよい。ただ、上記作用による効果をより確実に得るには、Ce含有量は0.001%以上であることが好ましい。Ce含有量は、0.002%以上であることがさらに好ましく、0.003%以上であることがさらに好ましく、0.005%以上であることがさらに好ましい。
B :0%以上0.10%以下、
O :0%以上0.10%以下、
Mg:0%以上0.10%以下、
Ti:0%以上0.10%以下、
V :0%以上0.10%以下、
Zr:0%以上0.10%以下、
Nd:0%以上0.10%以下、
Bi:0%以上0.10%以下、
W :0%以上0.10%以下、
Mo:0%以上0.10%以下、
Nb:0%以上0.10%以下、
Y :0%以上0.10%以下。
C :0.0010%以上0.005%以下、
sol.Al:0.10%以上2.5%未満、
Mn:0.0010%以上3.0%以下、
P :0.0010%以上0.3%以下、
S :0.0001%以上0.01%以下、
N :0.0015%超0.01%以下、
B :0.0001%以上0.10%以下、
O :0.0001%以上0.10%以下、
Mg:0.0001%以上0.10%以下、
Ca:0.0003%以上0.01%以下、
Ti:0.0001%以上0.10%以下、
V :0.0001%以上0.10%以下、
Cr:0.0010%以上5.0%以下、
Ni:0.0010%以上5.0%以下、
Cu:0.0010%以上5.0%以下、
Zr:0.0002%以上0.10%以下、
Sn:0.0010%以上0.10%以下、
Sb:0.0010%以上0.10%以下、
Ce:0.001%以上0.10%以下、
Nd:0.002%以上0.10%以下、
Bi:0.002%以上0.10%以下、
W :0.002%以上0.10%以下、
Mo:0.002%以上0.10%以下、
Nb:0.0001%以上0.10%以下、
Y :0.002%以上0.10%以下、
の少なくとも1種を含有することが好ましい。
磁束密度に関しては、下記(式1)で規定されるX値が0.800以上とする。この磁気特性を向上させるためには、0.820以上であることが好ましい。
X=(2×B50L+B50C)/(3×Is) (式1)
ここで、
B50Lは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延方向の磁束密度、
B50Cは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延直角方向の磁束密度、
Isは室温における自発磁化である。
Is=2.16×{(鋼板の密度)/(Feの密度)}×[Feの含有量(質量%)]/100 (式2)
Feの含有量(質量%)=100(質量%)-[C、Si、Mn、sol.Al、P、S、N、B、O、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zr、Sn、Sb、Ce、Nd、Bi、W、Mo、Nb、Yの合計含有量(質量%)] (式3)
結晶粒径は、過大であっても過小であっても高周波条件での鉄損が劣化することがある。そのため、平均結晶粒径は30μm以上200μm以下とする。
板厚は、0.35mm以下とする。好ましくは0.30mm以下である。一方、過度の薄肉化は鋼板やモータの生産性を著しく低下させるので、板厚は0.10mm以上とする。好ましくは、0.15mm以上である。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、磁気特性に優れ且つ機械的な異方性が小さいので、電気自動車やハイブリッド自動車などのモータの一体打抜き型鉄心に好適である。そのため、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を含む鉄心は、優れた性能を示す。また、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は一体打抜き型鉄心に好適であるので、この鉄心を含むモータは、優れた性能を示す。
以下、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、上述の構成を有すれば、製造方法は特に限定されない。下記の製造方法は、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を製造するための一つの例であり、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法の好適な例である。
(A)上述の化学組成を有する熱延鋼板に10%以上75%以下の圧下率の冷間圧延を施す第1冷間圧延工程
(B)第1冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に、500℃から650℃までの平均昇温速度を30℃/時以上1000℃/秒以下(0.0083℃/秒以上1000℃/秒以下)とし、保持温度を700℃以上1100℃以下とし、且つ保持時間を10秒以上40時間以下(0.0028時間以上40時間以下)とする中間焼鈍を施す中間焼鈍工程
(C)中間焼鈍工程により得られた中間焼鈍鋼板に50%以上85%以下の圧下率の冷間圧延を施して0.10mm以上0.35mm以下の板厚とする第2冷間圧延工程
(D)第2冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に900℃以上1200℃以下の温度域に保持する仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程
第1冷間圧延工程においては、上記化学組成を有する熱延鋼板に10%以上75%以下の圧下率(累積圧下率)の冷間圧延を施す。
第1冷間圧延工程における圧下率が10%未満もしくは75%超であると、目的とする磁気特性および真円度を得ることができない場合がある。したがって、第1冷間圧延工程における圧下率は10%以上75%以下とする。
中間焼鈍工程においては、上記第1冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に、500℃から650℃までの平均昇温速度を30℃/時以上1000℃/秒以下(0.0083℃/秒以上1000℃/秒以下)とし、保持温度を700℃以上1100℃以下とし、且つ保持時間を10秒以上40時間以下(0.0028時間以上40時間以下)とする中間焼鈍を施す。
中間焼鈍工程における上記の各条件を満たさない場合、目的とする磁気特性および真円度を得ることができない場合がある。中間焼鈍の上記以外の条件は特に限定されるものではない。
第2冷間圧延工程においては、上記中間焼鈍工程により得られた中間焼鈍鋼板に50%以上85%以下の圧下率(累積圧下率)の冷間圧延を施して0.10mm以上0.35mm以下の板厚とする。
仕上焼鈍工程においては、上記第2冷間圧延工程により得られた冷延鋼板に900℃以上1200℃以下の温度域に保持する仕上焼鈍を施す。
仕上焼鈍工程における仕上焼鈍温度が900℃未満では、粒成長不足により平均結晶粒径が30μm未満となって十分な磁気特性が得られない場合がある。したがって、仕上焼鈍温度は900℃以上とする。一方、仕上焼鈍温度が1200℃超では、粒成長が過度に進行してしまい平均結晶粒径が200μm超となって十分な磁気特性が得られない場合がある。したがって、仕上焼鈍温度は1200℃以下とする。
900℃以上1200℃以下の温度域に保持する仕上焼鈍時間は特に規定せずともよいが、良好な磁気特性をより確実に得るには1秒間以上とすることが好ましい。一方、生産性の観点からは仕上焼鈍時間を120秒間以下とすることが好ましい。
仕上焼鈍の上記以外の条件は特に限定されるものではない。
上記第1冷間圧延工程に供する熱延鋼板には、熱延板焼鈍を施してもよい。熱延板焼鈍を施すことにより、一層良好な磁気特性が得られる。
熱延板焼鈍は箱焼鈍および連続焼鈍のいずれによって行ってもよい。箱焼鈍により行う場合には、700℃以上900℃以下の温度域に1時間以上20時間以下保持することが好ましい。連続焼鈍により行う場合には、850℃以上1100℃以下の温度域に1秒間以上180秒間以下保持することが好ましい。
熱延板焼鈍の上記以外の条件は特に限定されるものではない。
上記第1冷間圧延工程に供する熱延鋼板は、上記化学組成を有する鋼塊または鋼片(以下、「スラブ」ともいう。)に熱間圧延を施すことにより得ることができる。
熱間圧延の各種条件は特に限定されるものではない。
上記仕上焼鈍工程後に、一般的な方法に従って、有機成分のみ、無機成分のみ、あるいは有機無機複合物からなる絶縁被膜を鋼板表面に塗布するコーティング工程を行ってもよい。環境負荷軽減の観点から、クロムを含有しない絶縁被膜を塗布しても構わない。また、コーティング工程は、加熱・加圧することにより接着能を発揮する絶縁コーティングを施す工程であってもよい。接着能を発揮するコーティング材料としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂またはメラミン樹脂などを用いることができる。
上記のように製造した本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を用いて、一体打抜き型鉄心を製造すればよい。この鉄心の製造方法は、上記した無方向性電磁鋼板を加工して積層する工程を有すればよい。また、この一体打抜き型鉄心を用いて、モータを製造すればよい。このモータの製造方法は、上記した無方向性電磁鋼板を加工し積層して鉄心を製造する工程、およびこの鉄心を組み立てる工程を有すればよい。
Excellent:真円度が0.9999以上1.0000以下
Very Good:真円度が0.9998超~0.9999未満
Good :真円度が0.9997超~0.9998以下
Poor :真円度が0.9997以下
L: 圧延方向
C: 圧延直角方向
Claims (9)
- 質量%で、
C :0.005%以下、
Si:1.0%以上5.0%以下、
sol.Al:1.7%以下、
Mn:3.0%以下、
P :0.3%以下、
S :0.01%以下、
N :0.01%以下、
B :0.10%以下、
O :0.10%以下、
Mg:0.10%以下、
Ca:0.01%以下、
Ti:0.10%以下、
V :0.10%以下、
Cr:5.0%以下、
Ni:5.0%以下、
Cu:5.0%以下、
Zr:0.10%以下、
Sn:0.10%以下、
Sb:0.10%以下、
Ce:0.10%以下、
Nd:0.10%以下、
Bi:0.10%以下、
W :0.10%以下、
Mo:0.10%以下、
Nb:0.10%以下、
Y :0.10%以下、
を含有し、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有し、
板厚が0.10mm以上0.35mm以下であり、
平均結晶粒径が30μm以上200μm以下であり、
下記(式1)で規定されるX値が0.800以上0.845未満であり、
磁束密度1.0T、周波数1kHzで励磁した際の鉄損W10/1kが80W/kg以下である
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
X=(2×B50L+B50C)/(3×Is) (式1)
(ここで、
B50Lは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延方向の磁束密度、
B50Cは磁化力5000A/mで磁化した際の圧延直角方向の磁束密度、
Isは室温における自発磁化である。) - 前記化学組成として、質量%で、
Si:3.25%超5.0%以下
を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記化学組成として、質量%で、
C :0.0010%以上0.005%以下、
sol.Al:0.10%以上1.7%以下、
Mn:0.0010%以上3.0%以下、
P :0.0010%以上0.3%以下、
S :0.0001%以上0.01%以下、
N :0.0015%超0.01%以下、
B :0.0001%以上0.10%以下、
O :0.0001%以上0.10%以下、
Mg:0.0001%以上0.10%以下、
Ca:0.0003%以上0.01%以下、
Ti:0.0001%以上0.10%以下、
V :0.0001%以上0.10%以下、
Cr:0.0010%以上5.0%以下、
Ni:0.0010%以上5.0%以下、
Cu:0.0010%以上5.0%以下、
Zr:0.0002%以上0.10%以下、
Sn:0.0010%以上0.10%以下、
Sb:0.0010%以上0.10%以下、
Ce:0.001%以上0.10%以下、
Nd:0.002%以上0.10%以下、
Bi:0.002%以上0.10%以下、
W :0.002%以上0.10%以下、
Mo:0.002%以上0.10%以下、
Nb:0.0001%以上0.10%以下、
Y :0.002%以上0.10%以下、
の少なくとも1種を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記化学組成として、質量%で、
Siおよびsol.Alの合計含有量が4.0%超である
ことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記X値が0.800以上0.830未満である
ことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板を含む鉄心。
- 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板を加工し、積層する工程を有する鉄心の製造方法。
- 請求項6に記載の鉄心を含むモータ。
- 請求項1から請求項5までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板を加工し、積層して鉄心を製造する工程および前記鉄心を組み立てる工程を有するモータの製造方法。
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