JP2011084778A - 高周波励磁用無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮応力が作用しても、鉄損の劣化が小さい無方向性電磁鋼板を提供することにより、鉄心組み立てによる鉄損劣化を小さく抑えることができ、最終的に高性能モーターなどの効率向上に寄与する。
【解決手段】Ｃ：０．００２％以下、Ｓｉ：０．１％以上、４．０％以下、Ａｌ：０．１％以上、４．０％以下、残部鉄および不可避的不純物元素からなり、Ａ＝［Ｗ_１−Ｗ_０］／Ｗ_０（Ｗ_１は応力３０MＰａ〜５０MＰａ付加時の高周波域における鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの高周波域における鉄損値を表す）で定義される鉄損劣化率Ａが５０％以下である高周波用無方向性電磁鋼板。
【選択図】図４

Description

本発明は、ハイブリッド自動車、エアコンコンプレッサー等、高周波励磁により使用される鉄心の効率改善に寄与する無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、二酸化炭素削減の動向および石油資源の枯渇の問題から、排出ガスを抑制し燃費を良くするために、ガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイブリッド車などに使用される高性能モーターの高効率化指向が高まっている。電気モーターはエンジンに比べると応答性がよく精密なトルク制御が可能であることから、地球環境への対応とともに優れた駆動性能が求められるスポーツ車種への展開が図られている。これら電気自動車の駆動モーターは従来車のエンジンに替わる駆動機構の心臓部であり、電磁鋼板は鉄心素材としてＥＶの駆動性能や燃費の改善に大きく貢献する。このため、高性能モーターの鉄心として使用される無方向性電磁鋼板の高周波域における鉄損向上の要請がこれまで以上に高まっている。

これまでに、無方向性電磁鋼板の鉄損低減のために多数の手段がとられてきた。例えば、渦電流損失低減の観点から、ＳｉやＡｌの含有量を高め、固有抵抗を高める方法は一般的である。また、Ｃ、Ｎ、Ｓなどの不純物を極力減少させ高純度鋼化し、ヒステリシス損失を低減する方法も一般的である。また、特許文献１に記載されるＲＥＭ添加技術のように、鋼を清浄化し結晶粒成長性を改善することによって、生産性の向上と鉄損低減を両立させる方法も開発されている。

上記のような無方向性電磁鋼板の鉄損改善においては、通常、ＪＩＳに規定された方法で鉄損が評価される。即ち、何の外力も加えない状態で、鋼板圧延方向および直角方向の、二方向の鉄損の平均値が測定されるのみである。しかしながら実際の鉄心では、鋼板は所定の形状に打ち抜かれた後積層され、ボルト締めやカシメなどの方法によって固定され、更にコンプレッサーモーターなどでは、焼き嵌めにより外枠に固定される。これらボルト締め、かしめ、焼き嵌めされた鉄心については、鉄心に対して鋼板面内の円周方向に圧縮応力が作用しており、この応力によって鉄損が増加することが知られている。

そこで、特許文献２および特許文献３では、面内方向の圧縮応力に対して性能劣化の小さい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、鋼板の板厚中心層における板面と平行な｛１１１｝面のＸ線ランダム強度比が２．５以上、１０．０以下とすることにより、圧縮応力による鉄損劣化の小さい無方向性電磁鋼板が提案されている。

ＷＯ２００４／０９９４５７号パンフレット 特開２００３−２５３４０４号公報 特開２００５−３０７２５８号公報 特開２００８−１８９９７６号公報

本発明の目的は、圧縮応力が作用しても、鉄損の劣化が小さい無方向性電磁鋼板を提供することにある。これにより、鉄心組み立てによる鉄損劣化を小さく抑えることができ、最終的に高性能モーターなどの効率向上に寄与することである。

本発明者らは、鋼板の材料要因が鉄損の応力依存性に与える影響について検討を重ねた結果、鋼板の結晶粒径が応力下の鉄損に大きな影響を与えることを発見し、圧縮応力による鉄損劣化の小さい無方向性電磁鋼板を開発するに至った。本発明の要旨は、結晶粒径が小さく、応力下での鉄損劣化率の低い無方向性電磁鋼板である。

本発明の具体的な要旨は次のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．００２％以下、
Ｓｉ：０．１％以上、４．０％以下、
Ａｌ：０．１％以上、４．０％以下、
残部鉄および不可避的不純物元素からなり、式（Ｉ）で定義される鉄損劣化率Ａが５０％以下であることを特徴とする高周波励磁用無方向性電磁鋼板。

Ａ＝［Ｗ_１−Ｗ_０］／Ｗ_０ ・・・（Ｉ）
ここで、Ｗ_１は応力３０ＭＰａ〜５０ＭＰａ付加時の高周波域における鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの高周波域における鉄損値を表す。
（２）質量％で、
さらにＣｒ：３．０％以下および／またはＭｎ：１．０％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（３）Ｗ_１およびＷ_０は、共に鋼板の圧延方向（Ｌ方向）と圧延に直角の方向（Ｃ方向）に励磁して測定される鉄損値の平均値であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（４）Ｗ_１は応力３０ＭＰａ付加時の１７００Ｈｚ励磁による鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの１７００Ｈｚ励磁による鉄損値であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（５）前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（６）前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（７）モーターの鉄心に使用される上記（１）〜（６）のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
（８）質量％で、
Ｃ：０．００２％以下、
Ｓｉ：０．１％以上、４．０％以下、
Ａｌ：０．１％以上、４．０％以下、
残部鉄および不回避的不純物元素からなるスラブを、熱間圧延により熱延板として、熱延板焼鈍を施し、表面スケールを酸洗により除去した後、冷間圧延し最終板厚として、８５０〜１０００℃の範囲で１０秒〜１分間、仕上げ焼鈍を施すことを特徴とする圧縮応力による鉄損劣化率の小さい高周波励磁用無方向性電磁鋼板の製造方法。
（９）前記スラブはさらに、質量％で、Ｃｒ：３．０％以下および／またはＭｎ１．０％以下を含む上記（８）に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明の無方向性電磁鋼板をモーターの鉄心材料として用いた場合、鉄心に圧縮応力が作用しても鉄心の鉄損劣化は小さく、最終的にモーターの効率向上に寄与することができる。

異なる仕上げ焼鈍温度における鋼板の断面金属組織の顕微鏡写真を示す。 ５０Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損の結晶粒径依存性を示す。 ８００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損の結晶粒径依存性を示す。 １７００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損の結晶粒径依存性を示す。 ３０００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損の結晶粒径依存性を示す。 ５０Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損劣化率（％）の結晶粒径依存性を示す。 ８００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損劣化率（％）の結晶粒径依存性を示す。 １７００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損劣化率（％）の結晶粒径依存性を示す。 ３０００Ｈｚにおける応力０〜５０MＰａ付加による鉄損劣化率（％）の結晶粒径依存性を示す。

以下に本発明を詳細に説明する。

本発明は、面内圧縮応力による鉄損劣化を小さくするため、応力が存在しない状態における鉄損値に対する３０MＰａ応力下における鉄損値の劣化量の比で定義される鉄損劣化率が、５０％以下であることを特徴とするものである。すなわち、Ａ＝［Ｗ_１−Ｗ_０］／Ｗ_０（Ｗ_１は応力３０MＰａ〜５０MＰａ付加時の高周波域における鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの高周波域における鉄損値を表す）で定義される３０MＰａにおける鉄損劣化率が５０％以下であることを特徴とするものである。

本発明者らは、上記で定義される鉄損劣化率を５０％以下にするためには、結晶粒径を１００μ以下にする必要があることを見出した。具体的には、Ｃを０．０１％、Ｓｉを２．０％、Ａｌを２．０％、Ｃｒを２％含有する鋼を熱延後、熱延板焼鈍、冷延、仕上げ焼鈍を施し無方向性電磁鋼板を作製した。その際、仕上げ焼鈍の条件を種々変化させ、鋼板の平均結晶粒径を変化させた。最終板厚は０．２５ｍｍである。図１に仕上げ焼鈍温度と得られた鋼板の断面金属組織の顕微鏡写真を示した。表１には、仕上げ焼鈍温度と得られた鋼板の平均結晶粒径を示した。なお、平均粒径は、表面、端部にかかる粒は１／２と数え、総面積を結晶粒数で割った面積より円相当径で求めた。

次に、得られた鋼板から、５５ｍｍ×５５ｍｍの板を切り出し、磁気測定用の試料とした。磁気測定には、鋼板の断面に圧縮応力を付加させながら磁気測定ができる双ヨーク式のＨコイル法単板試験機を用いた。圧縮応力は３０〜５０ＭＰａとし、応力の方向と励磁方向は平行である。

図２〜５には、応力０、および３０MＰａ、５０MＰａ応力付加時において、圧延方向（Ｌ方向）と圧延に直角の方向（Ｃ方向）にそれぞれ５０Ｈｚ、８００Ｈｚ、１７００Ｈｚ、３０００Ｈｚに励磁したときの鉄損値（Ｌ方向およびＣ方向の平均値）の結晶粒径依存性が示されている。

図２に示されるように、低周波（５０Ｈｚ）においては、応力付加、応力付加無し共に、結晶粒径が小さいほど鉄損値は増加する傾向にあるのに対し、高周波（８００〜３０００Ｈｚ）においては、応力付加では、平均結晶粒径１００μｍ以下の結晶粒径が小さい領域で鉄損値が低くなり、平均結晶粒径１００μｍを超えると結晶粒径の増大に伴い鉄損も増大することが示されている。これは、高周波において、応力が付加されない場合に、鉄損値は結晶粒径によって変化しないことと対照的である。すなわち、高周波においては、応力付加時と応力の付加の無い場合で鉄損値の結晶粒径依存性が大きく変わることが見出された。本発明は、当該知見を基に、高周波における鉄損値の制御を行おうとするものである。

図６〜９には、図２〜５に基づいて、それぞれ５０Ｈｚ、８００Ｈｚ、１７００Ｈｚ、３０００Ｈｚにおける、応力０による鉄損値に対する応力３０MＰａ，５０MＰａ付加による鉄損劣化量の割合（％）の結晶粒径依存性が示されている。図５〜８に共通して見られるように、結晶粒径が小さいほど鉄損劣化率が低下することがわかる。特に、高周波においては、鉄損劣化率６０％以下にするためには、平均結晶粒は１００μｍ以下とすることが有効であり、より好ましくは、４０μｍ以下とすると有効であることがわかる。

次に、本発明の鋼成分の限定理由について述べる。

Ｃは鉄損を増加させる有害な元素であり、磁気時効の原因ともなるので、０．００２％以下とする。

Ｓｉは、固有抵抗を増大させて渦電流損失を減少させる元素である。その効果を享受するには、０．１％以上含有させる必要がある。ただし含有量が増えすぎると、磁束密度の低下に加え、冷延性の低下を招き、更にコストも上昇するので、４．０％以下とする。

ＡｌもＳｉと同様、固有抵抗を増大させる元素であり、０．１％以上含有させる必要がある。一方、増えすぎると磁束密度の低下に加え、冷延性の低下を招き、更にコストも上昇するので、４．０％以下とする。

Ｃｒは、固有抵抗を増大させて渦電流損失を減少させるために、３．０％以下添加することができるが、３．０％を超えると磁束密度が低下するため、上限を３．０％とした。

ＭｎはＳｉと同様に、電気抵抗を増加させるために有効な元素であるが、１％を超えて添加すると、焼鈍での結晶粒成長が阻害されるので、１％以下とする。Ｍｎは、鋼中のＳを無害化(MnS化)するので、０．１％以上添加するのが好ましい。

それ以外の元素は特に規定するものではないが、表層からの窒化を防ぐ目的でＳｎ、Ｓｂ、Ｃｕなどの元素を適宜量添加したりすることはできる、またＳやＮ、Ｔｉなどのように介在物を生成し磁気特性や結晶粒成長性に悪影響を与える元素は、極力低減することが望ましい。ＲＥＭを添加してＳやＴｉを固定し、鋼の清浄化を図ることもが可能である。

次に本発明の鋼板を得るための製造方法について説明する。

製造方法の一つは、製鋼工程において所定の元素を添加したスラブを、熱間圧延により熱延板とし、熱延板焼鈍を行わずに、その表面スケールを酸洗により除去した後、１回の冷間圧延を施し最終板厚としてから、８５０〜１０００℃の範囲で１０秒〜１分間、再結晶のための仕上げ焼鈍を施す方法である。

また別の方法は、製鋼工程において所定の元素を添加したスラブを、熱間圧延により熱延板とし、熱延板焼鈍を施し、表面スケールを酸洗により除去した後、冷間圧延し最終板厚として、８５０〜１０００℃の範囲で１０秒〜１分間、再結晶のための仕上げ焼鈍を施す方法である。

仕上げ焼鈍温度が１０００℃を超えるか、または仕上げ焼鈍時間が１分を超えると平均結晶粒径は１００μｍ超え粗粒化する傾向にある。また、仕上げ焼鈍温度が１０００℃未満または仕上げ焼鈍時間が１０秒未満では、再結晶化が不十分である。

本発明の実施例を示す。
（実施例１）
Ｃ：０．００２０％、Ｓｉ：２．０％、Ａｌ：０．３％、Ｍｎ０．２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を２．３ｍｍに熱間圧延し、熱延板焼鈍を施すことなく、酸洗後、冷間圧延し０．５ｍｍ厚（圧延率は７８．３％）とした。その後９００℃、１５秒の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出した。平均結晶粒径は３８μｍであった。次に、１７００Ｈｚの周波数で１．０Tの磁束密度まで励磁し、３０MＰａの応力加状態の鉄損と応力付加無しの鉄損を測定し、鉄損劣化率を算出した。結果を表２に示した。
（比較例１）
また比較例１として、実施例１と同じ組成の鋼を２．３ｍｍに熱間圧延し、酸洗、冷間圧延し０．５ｍｍ厚とした。その後１０００℃、２分の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出した。平均結晶粒径は１０５μｍであった。次に、１７００Ｈｚの周波数で１．０Tまで励磁し、３０MＰａの応力加状態の鉄損と応力付加無しの鉄損を測定し、鉄損劣化率を算出した。結果を表２に示した。
（実施例２）
Ｃ：０．００２０％、Ｓｉ：３．１％、Ａｌ：１．１％、Ｍｎ：０．３５％残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を１．８ｍｍに熱間圧延し、１０００℃、２分間の熱延板焼鈍し、酸洗、冷間圧延し０．３５ｍｍ厚（圧延率は８０．５％）とした。その後９００℃、３０秒の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出し、平均結晶粒径は５０μｍであった。次に、８００Ｈｚの周波数で１．０Tまで励磁し、３０MＰａの応力加状態の鉄損と応力付加無しの鉄損を測定し、鉄損劣化率を算出した。結果を表２に示した。
（比較例２）
また比較例２として、実施例２と同じ組成の鋼を１．８ｍｍに熱間圧延し、１０００℃、２分間の熱延板焼鈍し、酸洗、冷間圧延し０．３５ｍｍ厚（圧延率は８０．５％）とし、その後１０５０℃、１分の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出した。その平均結晶粒径は１１０μｍであった。次に、１７００Ｈｚの周波数で１．０Tまで励磁し、３０MＰａの応力加状態の鉄損と応力付加無しの鉄損を測定し、鉄損劣化率を算出した。結果を表２に示した。
（実施例３）
Ｃ：０．００１０、Ｓｉ：２．０％、Ａｌ：２．３％、Cr：２．０％、Mn：０．４％残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を２．５ｍｍに熱間圧延し、８００℃、２分の熱延焼鈍を施し、酸洗、冷間圧延し０．２５ｍｍ厚（圧延率は９０％）とした。その後９００℃、３０秒の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出し、磁気測定に供した。
（比較例３）
また比較例３として、実施例３と同じ組成の鋼を２．５ｍｍに熱間圧延し、１０００℃、２分間の熱延板焼鈍し、酸洗、冷間圧延し０．２５ｍｍ厚（圧延率は９０％）とし、その後１２００℃１５秒の仕上げ焼鈍を行い、５５ｍｍＳＳＴ試料を切り出した。次に、３０００Ｈｚの周波数で１．０まで励磁し、３０MＰａの応力加状態の鉄損と応力付加無しの鉄損を測定し、鉄損劣化率を算出した。結果を表２に示した。

表２を参照すると、実施例１〜３では、平均結晶粒径が１００μｍ以下であり、鉄損劣化率が５０％以下となっているのに対し、同じ組成の比較例１〜３では、平均結晶粒は１００μｍを超え、鉄損劣化率も５０％を超えていることがわかる。

本発明の無方向性電磁鋼板をモーターの鉄心材料として用いた場合、鉄心に圧縮応力が作用しても鉄心の鉄損劣化は小さく、最終的にモーターの効率向上に寄与することができ、産業上の利用可能性が高い。

Claims (9)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．００２％以下、
   Ｓｉ：０．１％以上、４．０％以下、
   Ａｌ：０．１％以上、４．０％以下、
   残部鉄および不可避的不純物元素からなり、式（Ｉ）で定義される鉄損劣化率Ａが５０％以下であることを特徴とする高周励磁波用無方向性電磁鋼板。
   Ａ＝［Ｗ_１−Ｗ_０］／Ｗ_０ ・・・（Ｉ）
   ここで、Ｗ_１は応力３０MＰａ〜５０MＰａ付加時の高周波域における鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの高周波域における鉄損値を表す。
2. 質量％で、
   さらにＣｒ：３．０％以下および／またはＭｎ:１，０％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
3. Ｗ_１およびＷ_０は、共に鋼板の圧延方向（Ｌ方向）と圧延に直角の方向（Ｃ方向）に励磁して測定される鉄損値の平均値であることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
4. Ｗ_１は応力３０MＰａ付加時の１７００Ｈｚ励磁による鉄損値であり、Ｗ_０は応力付加の無いときの１７００Ｈｚ励磁による鉄損値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
5. 前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
6. 前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
7. モーターの鉄心に使用される請求項１〜６のいずれかに記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板。
8. 質量％で、
   Ｃ：０．００２％以下、
   Ｓｉ：０．１％以上、４．０％以下、
   Ａｌ：０．１％以上、４．０％以下、
   残部鉄および不回避的不純物元素からなるスラブを、熱間圧延により熱延板として、熱延板焼鈍を施し、表面スケールを酸洗により除去した後、冷間圧延し最終板厚として、８５０〜１０００℃の範囲で１０秒〜１分間、仕上げ焼鈍を施すことを特徴とする圧縮応力による鉄損劣化率の小さい高周波励磁用無方向性電磁鋼板の製造方法。
9. 前記スラブはさらに、質量％で、Ｃｒ：３．０％以下および／またはＭｎ：１．０％以下を含む請求項８に記載の高周波励磁用無方向性電磁鋼板の製造方法。