JP2003342698A

JP2003342698A - 高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP2003342698A
Application number: JP2002144990A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kubota; 猛久保田; Takeaki Wakizaka; 岳顕脇坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】高速回転機のロータ鉄心素材としては、高張力
でかつ優れた磁気特性であることが要請され、鉄心材料
として用いられる無方向性電磁鋼板もこのような特性を
具備する必要が生じた。このような使用状況に鑑み、本
発明は、機械特性と磁気特性ともに優れた、高い降伏強
度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を提供す
る。【解決手段】磁気特性および機械特性の両立のために
添加される合金成分（Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｐおよ
び、０．１＜Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の含有量関係
を満たすＮｂ，Ｃ，Ｎ）、および、鋼板の板厚を制御す
ることにより、降伏強度≧６０kgf/mm²好ましくは降伏
強度≧７０kgf/mm²、高周波鉄損Ｗ10/1000 ≦１３０w/
kgの両立した高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼
板を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転機のロータ用
鉄心素材として用いられる無方向性電磁鋼板、特に、回
転時の応力あるいは加減速時の繰り返し応力変動に耐え
得る、優れた機械特性と磁気特性を兼ね備えた降伏強度
の高い無方向性電磁鋼板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気機器、特に無方向性電磁鋼板
がその鉄心材料として使用される回転機、中小型変圧
器、電装品等の分野においては、世界的な電力・エネル
ギー節減、地球環境保全の動きの中で、高効率化、小型
化の要請はますます強まりつつある。このような社会環
境下において、当然、無方向性電磁鋼板に対してもその
性能向上は喫緊の課題である。このような動き中で、最
近の目覚しいエレクトロニクス技術の発達と相俟って、
回転機分野においては駆動システムの高度化により、さ
まざまな回転機駆動制御が可能になりつつある。すなわ
ち、駆動電源の周波数制御により、可変速運転、商用周
波数以上での高速運転を可能とした回転機が増加し、上
記の高効率化、小型化を推進する上での主要技術となり
つつある。

【０００３】ところで、このような高速回転機の実現に
は、高速回転時の応力に耐え得る構造のロータとする必
要がある。一般に、回転機のロータ鉄心に作用する遠心
力は回転半径に比例し、かつ回転速度の二乗に比例す
る。このため、高速回転機のロータには非常に大きな応
力が作用し、ロータ鉄心素材としては高張力であること
が要求される。

【０００４】一般に、回転機のロータ鉄心には積層した
無方向性電磁鋼板が使用される場合が多いが、上記のよ
うな高速回転機では所要の機械強度を満足できない場合
があり、その際には中実の鋳鋼製のロータが使用される
こともあった。しかし、回転機のロータは磁気現象を活
用するものであるから、その鉄心素材としては機械特性
と同時に磁気特性に優れていることが必要である。すな
わち、中実鋳鉄製ロータでは一体物であるために、鉄心
の渦電流損が非常に大きくなり、電磁鋼板を積層したロ
ータに比べ回転機効率が著しく低下するという問題があ
った。さらに、ロータ鉄心素材の磁束密度が低いと、所
要のトルクを発生させるための必要磁束をロータに流す
ためには励磁アンペアターンを大きくしなければなら
ず、励磁コイルでの銅損の増大に繋がる。

【０００５】このように、高速回転機のロータ鉄心素材
としては、機械特性的には高い降伏強度を有し、かつ磁
気特性的、特に高速回転に伴い高周波鉄損に優れている
ことが望ましい。鋼板の機械強度を高める手段として、
冷延鋼板の分野では一般に固溶強化、析出強化、加工強
化、細粒化強化、変態組織による強化等の方法が用いら
れるが、高い機械強度と低い鉄損とは物理的に相反する
関係にあり、これらを同時に満足させることは極めて困
難であった。

【０００６】しかし最近では、高張力を有する無方向性
電磁鋼板についてのいくつかの提案がなされてきてい
る。例えば特開昭６０−２３８４２１号公報のように、
Ｓｉ含有量を３．５〜７．０％と高め、これに固溶強化
の大きい元素を添加し張力を高める方法が提案されてい
るが、この方法では、Ｓｉ含有量に依存している割合が
高いために、熱延板から最終冷延厚みに圧延するに際し
て１００〜６００℃での温間圧延が必要になる等、製造
工程上の課題があった。さらに、この技術によって得ら
れる鋼板の磁束密度Ｂ50は１．５６〜１．６１Ｔと、通
常の無方向性電磁鋼板に比較し低いという問題もあっ
た。

【０００７】また特開昭６１−９５２０号公報では、Ｓ
ｉ含有量を２．５〜７．０％と高め、これに固溶強化の
大きい元素を添加した溶鋼を急冷凝固法により鋼帯とな
し、これを温間または冷間圧延し、焼鈍を施して高張力
無方向性電磁鋼板を製造する方法が提案されている。こ
の方法によれば、Ｓｉ含有量を高めても、急冷凝固法で
あるため圧延時の脆化問題は緩和されるものの、急冷凝
固法という特殊な鋳造法を用いねばならず、工業的に広
く用いられている通常の圧延法には適用し難いという問
題があった。

【０００８】さらに特開昭６２−２５６９１７号公報で
は、Ｓｉ含有量は２．０〜３．５％とし、Ｎｉあるいは
ＮｉとＭｎ含有量を高め、通常の冷間圧延を施し、焼鈍
条件を制御することにより得られる降伏強度≧６０kgf/
mm²級の高張力無方向性電磁鋼板が提案されている。ま
た特開平２−８３４６号公報では、Ｓｉ含有量は２．０
〜４．０％とし、ＮｉあるいはＮｉとＭｎ含有量を高め
ると共に、Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｖの炭窒化物による析出
強化を図ることによる降伏強度≧７０kgf/mm²級の高張
力無方向性電磁鋼板が提案されている。

【０００９】しかし、これらの高張力無方向性電磁鋼板
では、磁気特性の劣化を最小限に抑えつつ、通常の無方
向性電磁鋼板に比較し高い降伏強度を得ているものの、
実際の高速回転において問題となる高周波鉄損の低減は
十分でなく、高速回転機のロータ鉄心として使用した場
合に発熱が大きく、回転機効率が大幅に低下するという
問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記に鑑み本発明は、
機械特性および磁気特性ともに優れた、高い降伏強度と
低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を提供しよう
とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、無方向性
電磁鋼板において、固溶強化、析出強化、加工強化、細
粒化強化、変態組織による強化等の方法を用いて、機械
特性と同時に磁気特性に優れた鋼板とすることはできな
いかとの観点から鋭意研究を進めると共に、実際の高速
回転機において重要となる高周波鉄損はどのような指
標、言い換えれば、どの周波数の鉄損を低減すれば良い
かとの調査、解析を積み重ねてきた。その結果、通常の
無方向性電磁鋼板の製造工程で通板可能な範囲のＳｉ含
有量を基本に、Ｎｉ、Ｍｎ等の元素添加、およびＮｂ炭
窒化物を活用し、さらには製品板厚を０．３０mm以下と
することにより、高い降伏強度と磁気特性を兼備するこ
とが可能であることを見出し、かつ磁気特性としては、
１．０Ｔで１０００Ｈｚの高周波鉄損が最も重要である
ことも導出した。

【００１２】本発明は上記の知見に基づきなされたもの
であり、その要旨は、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０１％以下、Ｓｉ：２．５％以上４．０％以
下、Ａｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下を含有し、
かつ、０．１＜Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＮ
ｂを含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からな
り、板厚≦０．３０mm、降伏強度≧６０kgf/mm²、高周
波鉄損Ｗ10/1000 ≦１３０w/kgであることを特徴とする
高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板にある。ま
た、他の要旨は、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：
０．０１％以下、Ｓｉ：２．５％以上４．０％以下、Ａ
ｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下、および、Ｎｉ：
０．５％以上４．０％以下、Ｍｎ：０．５％以上２．０
％以下の少なくとも一種を含有し、かつ、０．１＜Ｎｂ
／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＮｂを含有し、残部Ｆ
ｅおよび不可避不純物元素からなり、板厚≦０．３０m
m、降伏強度≧７０kgf/mm²、高周波鉄損Ｗ10/1000 ≦
１３０w/kgであることを特徴とする高周波鉄損の優れた
高張力無方向性電磁鋼板にある。さらにまた他の要旨
は、前記の鋼成分に加え、質量％で、Ｂ：０．００１％
以上０．００７％以下を含有することを特徴とする点に
ある。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明の鋼成分の限定理由について述べる。Ｓｉ
は、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減することによ
り高周波鉄損を含め鉄損を低減する作用を有すると同時
に、固溶強化により鋼の張力を高める作用を有する成分
であり、これらの作用を奏するためには２．５％以上含
有させる必要がある。一方、その含有量が増えると磁束
密度が低下し、また冷延などの作業性の低下や鋼板の脆
化、さらにはコスト高をも招くので、４．０％以下とす
る。

【００１４】Ａｌも、Ｓｉと同様に電気抵抗を増大させ
て渦電流損を減少させることにより、高周波鉄損を含め
鉄損を低減する作用のある成分であり、さらに一層の高
周波鉄損の低減を図る場合には３．０％以下の範囲で添
加する。その含有量が３．０％を超えると、磁束密度が
低下し、冷延などの作業性の低下や鋼板の脆化、さらに
はコスト高をも招く。

【００１５】降伏強度≧７０kgf/mm²を得るためには、
さらにＮｉ、Ｍｎの少なくとも一種を含有させる。この
場合Ｎｉは、固溶強化により鋼の張力を高める効果を有
すると共に、電気抵抗を増大させて渦電流損を低減する
ことにより高周波鉄損を含め鉄損を低減する効果を有
し、かつ飽和磁気モーメントの増大を活用することによ
り磁束密度の向上に寄与する。これらの効果を得るため
には０．５％以上添加する必要がある。しかしその含有
量が増えると、逆に飽和磁気モーメントの低下に起因し
た磁束密度の低下が生じ、かつコスト高ともなるので、
４．０％以下とする。

【００１６】Ｍｎは、固溶強化および細粒化強化により
鋼の張力を高める効果を有すると共に、電気抵抗を増大
させて渦電流損を低減することにより高周波鉄損を含め
鉄損を低減する効果を有する。これらの効果を得るため
には０．５％以上添加する必要がある。しかしその含有
量が増えると、磁束密度が低下し、またコスト高ともな
るので、２．０％以下とする。

【００１７】Ｐは、鋼の張力を高める効果が非常に大き
い元素であるが、結晶粒界に偏析することから鋼の脆化
をもたらす場合もある。この粒界偏析による脆化を避け
て、通常の無方向性電磁鋼板の製造工程での通板を可能
にすると共に、鋼板の脆化を避けるために０．２％以下
の範囲で添加する。

【００１８】Ｎｂは微細に析出した炭窒化物を形成し、
析出強化および細粒化強化により鋼の張力を高める効果
を有する。この効果を得るためには、Ｎｂ／８（Ｃ＋
Ｎ）が０．１超である必要があり、またその含有量が増
えても再結晶温度の上昇、さらには鋼板の脆化も招くの
で、Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）で１．０未満とする。この場
合、炭窒化物形成のためのＣとＮはそれぞれ、０．０５
％以下、０．０１％以下とする必要がある。Ｃが０．０
５％を、Ｎが０．０１％を超えて含有された場合には、
磁気時効等により鉄損特性が著しく劣化する。

【００１９】上述の成分以外は、Ｆｅおよび不可避不純
物元素であるが、高張力化に伴う結晶粒界の脆化を回避
する目的で、必要に応じてＢを添加してもよい。この場
合、Ｂは０．００１％以上添加する必要がある。一方、
その含有量増えても、磁束密度の低下や、通常の無方向
性電磁鋼板の製造工程における熱間圧延時の脆化等をも
たらすので、０．００７％以下とする。

【００２０】前記成分からなる無方向性電磁鋼板の降伏
強度は６０kgf/mm²以上とすることができる。降伏強度
が６０kgf/mm²未満では、高速回転機のロータ鉄心素材
として使用された場合に十分な高速回転を実現し、回転
機の高効率化、小型化を満足することができない。ま
た、降伏強度が６０kgf/mm²以上、望ましくは７０kgf/
mm²以上であっても、高速回転機のロータ鉄心として使
用した場合に、高周波鉄損鋼板により発熱し回転機効率
が低下したのでは技術的価値がない。

【００２１】そこで、Ｃ：０．０３５％、Ｓｉ：３．３
２％、Ａｌ：０．５５％、Ｎｉ：１．６４％、Ｐ：０．
０４％、Ｎ：０．００２％、Ｎｂ：０．０４４％を含有
する鋼（Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）：０．１５）を熱間圧延
後、表１に示した板厚まで冷間圧延した後、８００℃で
２０秒間の連続仕上焼鈍を施した。その後、エプスタイ
ン試料および引張試験片を切り出し、磁気特性および機
械特性を測定した。

【００２２】表１に示すように、Ｎｏ．Ａ，Ｂは、降伏
強度は７０kgf/mm²以上と高張力であるものの、板厚が
０．３０mm超と厚いため、高周波鉄損Ｗ10/1000 は１３
０w/kg超となっている。高周波鉄損が１３０w/kgを超え
た場合には、高速回転機のロータ鉄心として使用した場
合に発熱が大きくなり、電気エネルギーから機械エネル
ギーへの変換ロスの増大が生じ、回転機効率の低下をも
たらすため、鋼板の板厚は、０．３０mm以下とした。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。（実施例１）表２に示した成分の鋼を熱間圧延後、０．
２０mm厚みに冷間圧延した後、７５０℃で３０秒間、連
続仕上焼鈍を施し、その後エプスタイン試料に切断し磁
気特性を測定すると共に、引張試験片に加工し機械特性
を測定した。表３に示すように、Ｎｏ．１は、高周波鉄
損Ｗ10/1000 は１３０w/kg以下と良好であるものの、Ｎ
ｂ炭窒化物を活用していないため、降伏強度が７０kgf/
mm²未満となっている。Ｎｏ．２は、Ｎｂを添加しては
いるものの、０．１＜Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範
囲に制御していないため、やはり降伏強度が７０kgf/mm
²未満となっている。表３から明らかなように、本発明
法によれば、機械特性および磁気特性ともに優れた、高
い降伏強度と低い高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板
の提供が可能であることがわかる。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】（実施例２）表４に示した成分の鋼を熱間
圧延後、０．２５mm厚みに冷間圧延した後、７７５℃で
２０秒間、連続仕上焼鈍を施し、その後、エプスタイン
試料に切断し磁気特性を測定すると共に、引張試験片に
加工し機械特性を測定した。表５に示すように、Ｎｏ．
１１は、高周波鉄損Ｗ10/1000 は１３０w/kg以下と良好
であるものの、Ｎｂ炭窒化物を活用していないため、降
伏強度が６０kgf/mm ²未満となっている。Ｎｏ．１２
は、Ｎｂを添加してはいるものの、０．１＜Ｎｂ／８
（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲に制御していないため、やは
り降伏強度が６０kgf/mm²未満となっている。表５から
明らかなように、本発明法によれば、機械特性および磁
気特性ともに優れた、高い降伏強度と低い高周波鉄損を
有する無方向性電磁鋼板の提供が可能であることがわか
る。

【００２８】

【表４】

【００２９】

【表５】

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明法によれば、機械
特性および磁気特性ともに優れた、高い降伏強度と低い
高周波鉄損を有する無方向性電磁鋼板を得ることがで
き、電気機器、特に無方向性電磁鋼板がその鉄心材料と
して使用される回転機分野における高効率化、小型化要
請に十分に応えることができ、その工業的価値は極めて
高いものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｓｉ：２．５％以上４．０％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下を含有し、かつ、０．１＜Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＮｂを含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなり、
板厚≦０．３０mm、降伏強度≧６０kgf/mm²、高周波鉄
損Ｗ10/1000 ≦１３０w/kgであることを特徴とする高周
波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
【請求項２】質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｓｉ：２．５％以上４．０％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｐ：０．２％以下、および、Ｎｉ：０．５％以上４．０％以下、Ｍｎ：０．５％以上２．０％以下の少なくとも一種を含有し、かつ、０．１＜Ｎｂ／８（Ｃ＋Ｎ）＜１．０の範囲でＮｂを含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物元素からなり、
板厚≦０．３０mm、降伏強度≧７０kgf/mm²、高周波鉄
損Ｗ10/1000 ≦１３０w/kgであることを特徴とする高周
波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板。
【請求項３】質量％でさらに、Ｂ：０．００１％以上
０．００７％以下を含有することを特徴とする請求項１
または２に記載の高周波鉄損の優れた高張力無方向性電
磁鋼板。