JP2010185119A

JP2010185119A - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP2010185119A
Application number: JP2009031195A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Tada; 裕俊多田; Hiroshi Fujimura; 浩志藤村; Hiroyoshi Yashiki; 裕義屋鋪
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-26

Abstract

【課題】本発明は、鋼板のＳｉ含有量を４ｗｔ％超に高めることや特殊な設備を使用することを必要とせずに、鉄損の低い無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：３．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：３．０％以下、Ｍｎ：３．５％以下、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．００５％以下およびＮ：０．００５％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するとともに、室温における比抵抗ρ（μΩｃｍ）と室温における自発磁化Ｉｓ（Ｔ）とが下記式（１）および式（２）を満足することを特徴とする無方向性電磁鋼板を提供する。
ρ≧５８．０（１）
Ｉｓ≧２．３４−０．００６×ρ （２）
【選択図】図１

Description

本発明は、エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動モータやスタータジェネレータ等の高効率モータの鉄心用材料に好適な無方向性電磁鋼板に関する。

地球温暖化ガスを削減する必要性から、自動車や家電製品等の分野では、消費エネルギーの少ない製品が開発されている。例えば、自動車分野においては、ガソリンエンジンとモータとを組み合わせたハイブリッド駆動自動車、モータ駆動の電気自動車等の低燃費自動車がある。また、家電製品分野においては、年間電気消費量の少ない高効率エアコン、冷蔵庫等がある。これらに共通した技術はモータであり、モータの高効率化が重要となっている。このモータの高効率化を支える技術の一つとして、鉄心用材料として用いられる無方向性電磁鋼板の低鉄損化が求められている。

近年、電気機器、電気自動車等の分野に用いられるモータは、出力を保ったまま小型化することを目的として、従来よりも高い回転数のものが採用されている。また、磁石モータにおいては、トルク向上、トルクリップル低減の観点から、多極ロータが用いられる傾向にある。このような高回転数、多極のモータにおいては、回転数や極数の増加に伴って駆動電源の周波数も高くなる傾向にある。そのため、モータの鉄心用材料である無方向性電磁鋼板には、高周波条件における鉄損の低減が求められている。

周波数増加に伴って鉄損に占める渦電流損の割合が急激に高まることから、このような高周波条件での鉄損を低減する方法として、鋼中のＳｉ含有量を増加させて鋼板の比抵抗を高める方法がこれまで多く用いられてきた。
例えば、特許文献１には、Ｓｉ含有量を４ｗｔ％超までに増加させて比抵抗を高めることで鉄損を低減する方法が開示されている。特許文献１に開示された方法は、Ｓｉ含有量を４ｗｔ％超まで高めると鋼板の加工性が急激に劣化して圧延による製造が困難になるため、圧延段階ではＳｉ含有量を４ｗｔ％未満としておき、圧延後の鋼板に対して浸珪処理を行うことにより、Ｓｉ含有量を４ｗｔ％超まで高めている。しかしながら、浸珪処理には特殊な設備を要するため、この方法では鋼板の製造コストが著しく増加するという問題がある。

特開２００１−２５４１６６号公報

本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、鋼板のＳｉ含有量を４ｗｔ％超に高めることや特殊な設備を使用することを必要とせずに、鉄損の低い無方向性電磁鋼板を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決すべく、鋼板の比抵抗ρと鉄損Ｗ_10/400の関係を詳細に調査した。その結果、従来から提案されているような、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎ含有量を高めることにより鋼板の比抵抗を単に高めるだけでは、高周波条件下における鉄損を効果的に低減することは困難であることが判明した。そして、さらに詳細に検討を加えていくことにより、より効果的に鉄損を低減するには、鋼板の比抵抗を高めるとともに自発磁化を高めることが極めて重要であることを新たに知見した。
すなわち、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎ含有量を高めて比抵抗を高めることは鉄損を低減するうえで重要なことではあるが、より効果的に鉄損を低減するにはそれだけでは足りず、これらの元素の含有量を自発磁化を高めるようにバランスさせることが重要であることを明らかにしたのである。
このような新知見に基づく本発明の要旨は以下のとおりである。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：３．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：３．０％以下、Ｍｎ：３．５％以下、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．００５％以下およびＮ：０．００５％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するとともに、室温における比抵抗ρ（μΩｃｍ）と室温における自発磁化Ｉｓ（Ｔ）とが下記式（１）および式（２）を満足することを特徴とする無方向性電磁鋼板を提供する。
ρ≧５８．０（１）
Ｉｓ≧２．３４−０．００６×ρ （２）

本発明の無方向性電磁鋼板は、鉄損が低いため、自動車分野ではハイブリッド自動車や電気自動車、家電分野ではエアコンや冷蔵庫等の高速回転域で使用されるモータの鉄心用材料として好適であり、モータ効率の向上に寄与することができる。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、従来と同様の製造方法で製造することが可能であり、特殊な処理を必要としないため、製造コストの面でも優れている。

鉄損Ｗ_10/400と室温における比抵抗ρおよび自発磁化Ｉｓとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の無方向性電磁鋼板における各構成について詳細に説明する。

（化学組成）
まず、鋼板の化学組成の限定理由について説明する。なお、各元素の含有量を示す「％」は、特に断りのない限り「質量％」を意味するものである。

Ｃ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。このため、Ｃ含有量は０．００５％以下とする。好ましくは、０．００３％以下である。

Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎは、いずれも鋼板の比抵抗を高め、鉄損を低減させるのに有効な元素である。
しかしながら、Ｓｉは固溶強化元素でもあるため、Ｓｉ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、Ｓｉ含有量は３．５％以下とする。好ましくは、３．０％以下である。
また、Ａｌを過剰に含有させると磁束密度の低下が著しくなる。このため、ｓｏｌ．Ａｌ含有量を３．０％以下とする。
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含有量を３．５％以下とする。好ましくは２．５％以下である。

本発明においては、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎを含有させることにより室温における比抵抗ρを５８．０μΩｃｍ以上とするのであるが、これらの元素は鋼板の比抵抗を高めるという作用においては同種の性質を有し、互いに他を代替することが可能である。このため、各元素の含有量の下限を規定する必要はない。しかしながら、上述したように各元素の含有量の上限は制限されるので、室温における比抵抗ρを５８．０μΩｃｍ以上とすることを容易にするには、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎをそれぞれ０．１％以上含有させることが好ましい。

Ｐは、一般に不純物として含有される元素であるが、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、積極的に含有させてもよい。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含有量を０．１％以下とする。

Ｓ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０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下である。

Ｎ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０．００５％以下とする。好ましくは０．００３％以下である。

（特性）
本発明の無方向性電磁鋼板は、室温における比抵抗ρ（μΩｃｍ）と室温における自発磁化Ｉｓ（Ｔ）とが下記式（１）および式（２）を満足する特性を有する。
ρ≧５８．０（１）
Ｉｓ≧２．３４−０．００６×ρ （２）

ここで、室温における比抵抗ρは公知の四端子法により測定すればよい。測定に用いる試料は、表面の絶縁コーティングを除去した無方向性電磁鋼板を用いてもよいし、熱延板やスラブから比抵抗測定用の試料を採取してもよい。

また、室温における自発磁化Ｉｓは下記式（３）から求める。なお、下記式（３）は、鋼板の自発磁化がＦｅ以外の元素によって単純に希釈されると仮定して自発磁化を求めるものである。
Ｉｓ＝２．１６×｛（鋼板の密度）／（Ｆｅの密度）｝
×｛（Ｆｅの含有量（質量％））／１００｝（３）
なお、鋼板の密度は、ＪＩＳＺ８８０７に従って測定すればよい。
また、式（３）中のＦｅの含有量は、１００（質量％）からＣ、Ｓｉ、ｓｏｌ．Ａｌ、Ｍｎ、Ｐ、ＳおよびＮの各含有量（質量％）を引いた値とする。

図１は、Ｃ：０．００２％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００３％、Ｎ：０．００２％を基本成分として、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎの含有量をそれぞれＳｉ：１．０〜３．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．５〜５．０％、Ｍｎ：０．２〜３．１％で変化させた場合における、板厚０．３０ｍｍの無方向性電磁鋼板の鉄損Ｗ_10/400に及ぼす室温における比抵抗ρと室温における自発磁化Ｉｓとの影響を示すグラフである。図中、「○」はＷ_10/400＜１６．５Ｗ／ｋｇの場合、「×」は鉄損Ｗ_10/400≧１６．５Ｗ／ｋｇの場合を示す。
図１から明らかなように、鉄損Ｗ_10/400は室温における比抵抗ρおよび自発磁化Ｉｓと相関関係を有し、鉄損Ｗ_10/400を低減するには、まず、室温における鋼板の比抵抗ρを５８．０μΩｃｍ以上とすることが必要である。すなわち、室温における比抵抗ρが上記式（１）を満足することが必要である。次に、比抵抗ρを単に高めただけでは十分ではなく、比抵抗ρを高めるとともに自発磁化Ｉｓを高めることが必要である。すなわち、室温における比抵抗ρと室温における自発磁化Ｉｓとが上記式（２）を満足するようにすることが必要である。

本発明を実施するにあたっては、鋼板の比抵抗を高める作用を有する、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎの含有量を高めることにより上記式（１）を満足させればよい。
そして、室温における自発磁化Ｉｓは上記式（３）から求めることができるのであるが、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎの含有量は、他の合金元素の含有量に比して格段に高いので、鋼板の密度とＦｅの含有量は実質的にＳｉ、ＡｌおよびＭｎの含有量により決定される。したがって、Ｓｉ、ＡｌおよびＭｎの含有量を調整することによって上記式（２）を満足させればよい。
これらのことは、当業者であれば、期待しうる程度を超える試行錯誤や複雑高度な実験等を行うことを要せずに実施できる。
なお、自発磁化Ｉｓを高めることは、磁束密度の向上にも繋がるので、磁気特性の観点からは好ましいことである。

（板厚）
本発明は、室温における比抵抗ρと自発磁化Ｉｓとを所定の関係を満足させることにより、鋼板の鉄損Ｗ_10/400を効果的に低減させるものであるから、鋼板の板厚については特に制限されない。しかしながら、高周波条件下における鉄損低減には板厚が薄い方が好ましいので、０．３０ｍｍ以下とすることが好ましい。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、０．１０ｍｍ以上とすることが好ましく、０．２０ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。

（製造方法）
本発明の無方向性電磁鋼板は、一般的な無方向性電磁鋼板の製造方法により作製することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例を例示して、本発明を具体的に説明する。
実験室の真空溶解炉にて、Ｃ：０．００２％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．５〜５．０％、Ｍｎ：０．２〜３．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００３％、Ｎ：０．００２％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼片を作製した。
これらの鋼片を１１５０℃の温度に３０分間保持した後、直ちに熱間圧延を施して板厚２．２ｍｍの熱延鋼板とした。得られた熱延鋼板を酸洗した後、８００℃の温度に４時間保持する熱延板焼鈍を施し、その後、一回の冷間圧延により板厚０．３０ｍｍの冷間圧延鋼板とした。得られた冷延鋼板に１０００〜１１００℃の温度で仕上げ焼鈍を施して無方向性電磁鋼板とした。

このようにして得られた無方向性電磁鋼板について、鋼板の密度、室温における比抵抗ρ、室温における自発磁化Ｉｓおよび鉄損Ｗ_10/400を測定した。
化学組成、仕上焼鈍温度、密度、室温における比抵抗ρ、室温における自発磁化Ｉｓおよび鉄損Ｗ_10/400を表１に示す。

表１に示すように、鋼板Ｎｏ．７、１６、２０、２２、２３は、比抵抗が５８．０μΩｃｍ以上であるにも拘わらず、自発磁化が低いために鉄損が高かった。鋼板Ｎｏ．２およびＮｏ．２４は、自発磁化が高いものの、比抵抗が５８．０μΩｃｍに満たないために鉄損が高かった。

Claims

質量％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：３．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：３．０％以下、Ｍｎ：３．５％以下、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．００５％以下およびＮ：０．００５％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するとともに、室温における比抵抗ρ（μΩｃｍ）と室温における自発磁化Ｉｓ（Ｔ）とが下記式（１）および式（２）を満足することを特徴とする無方向性電磁鋼板。
ρ≧５８．０（１）
Ｉｓ≧２．３４−０．００６×ρ （２）