JP5194535B2 - 高強度無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は電気自動車用モータ、ハイブリッド自動車用モータや電気機器用モータの鉄心材料として使用される高強度無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、世界的な電気機器の省エネルギー化の高まりにより、回転機の鉄心材料として用いられる無方向性電磁鋼板に対しても、より高性能な特性が要求されてきている。

特に最近では電気自動車用モータやハイブリッド自動車用モータ等において小型高出力モータのニーズが強く、モータ回転数を高速化することで、モータトルクを稼ぐ設計がなされるようになってきた。これまで高速回転モータと言えば工作機械や掃除機用に代表されたが、電気自動車用モータ、ハイブリッド自動車用モータはそれらの従来モータよりも外形が大きく、さらにＤＣブラシレスモータと呼ばれるロータ外周近傍に磁石を埋め込んだ構造のために、ロータ外周部のブリッジ部(ロータ最外周〜磁石間の鋼板幅)が場所によっては１〜２ｍｍと非常に狭いため、従来の無方向性電磁鋼板よりも高強度の鋼板が要求されるようになってきた。

一般に、鋼の強度は元素を添加することで高くなり、無方向性電磁鋼板においては、鉄損低減のために添加されるＳｉやＡｌ等によって副次的にこの効果を享受している。また、鋼板の結晶粒径を細かくすることで高強度が得られることも一般的に知られている。

これらの技術を利用するものとして、例えば、特許文献１では、ＳｉにＭｎやＮｉの元素を加えて固溶体強化を図って高強度化する方法が提案されている。この方法は、鉄と原子サイズの異なる置換型元素を固溶させることで鉄格子を歪ませて変形抵抗を大きくするもので、強度は増加するものの、同時に靭性が低下して打抜き加工性や生産性、歩留まりを悪化させるという問題があった。また、特許文献２や３では、Ｎｂ,Ｚｒ,Ｔｉ,Ｖの炭窒化物を鋼中に分散させ、結晶粒成長を抑止することで高強度を図る方法が提案されている。これらの方法では析出物そのものが割れや破断の起点になり得るため、結晶粒径は微細化できても靭性はむしろ低下し、打抜き加工したモータコアに割れが生じたり、さらに鋼板製造中に割れや破断が生じて、歩留まりや生産性が著しく悪化するという問題があった。

特開昭６２−２５６９１７号公報 特開平０６−３３０２５５号公報 特開平１０−１８００５号公報

本発明は、高速回転モータ用の鉄心材料として、強度に優れた無方向性電磁鋼板を、モータコアの打抜き加工および鋼板製造における歩留まりや生産性を犠牲にすることなく提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下を要旨とするものである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１％以上０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以上４．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０５％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、ＭｎとＣの含有量が質量％でＭｎ≦０．６−１０×Ｃを満たし、かつ、鋼板の再結晶部分の面積率が５０％以上、引張試験における降伏強度が６５０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、鉄損Ｗ１０／４００が７０Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。

（２）質量％でＮｉ：３．０％以下をさらに含有することを特徴とする（１）に記載の無方向性電磁鋼板。
（３）鋼板断面の平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の無方向性電磁鋼板。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板において、該無方向性電磁鋼板が、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用い、その後熱延板焼鈍、酸洗、冷延、仕上焼鈍からなる工程で製造されたものであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
（５）（１）〜（３）のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板において、該無方向性電磁鋼板が、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用い、その後酸洗、冷延、仕上焼鈍からなる工程で製造されたものであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。

本発明は、モータコアや鋼板製造時の歩留まりや生産性を犠牲にすることなく、強度に優れた無方向性電磁鋼板を低コストで提供することができる。

本発明者らは、鋼を強化する元素の添加により、磁気特性および強度の向上のみならず、モータコアや鋼板製造時の歩留まりや生産性も改善する方法について研究を進めてきた。生産性の改善とは、モータコア打抜き及び鋼板製造時に発生する割れや破断を抑制することであるが、高強度化された鋼板はそもそも脆いため、例えばモータコアの打抜き端面に亀裂が入ったり、酸洗や冷延の鋼板製造工程で割れが入ったり破断したりして、歩留まりや生産性を著しく悪化させることがあった。そこで、本発明者らは、仕上焼鈍後の電磁鋼板（以下、製品板と称する場合もある）および熱延板の靭性について詳細に研究を進めてきたところ、ＭｎとＣの含有量、および製品板の破断伸びや熱延板の衝撃特性などを規定することでモータコア打抜きおよび鋼板製造の歩留まりや生産性が著しく改善することを知見し、本発明を完成させた。

以上の知見に基づきなされた本発明につき、以下で順次説明する。
まず、本発明の無方向性電磁鋼板の成分組成の限定理由について説明する。なお、元素の含有量の％は質量％を意味する。

Ｃは炭化物の生成に必要な元素である。高強度化に有効な結晶粒の微細化に際し、微細な炭化物は再結晶時の核生成サイトを増やし、さらに再結晶粒の成長を抑制する効果がある。このような効果を十分に享受するためにはＣは０．０１％以上を含有していなければならない。また０．０５％を超えて添加すると効果が飽和し、かつ鉄損が悪化するので０．０５％を上限とした。

Ｓｉは固有抵抗を増加させるために有効であると同時に、固溶体強化としても有効な元素であるが、過度に添加すると冷延性を著しく悪くするため４．０％を上限とした。また固溶体強化と低鉄損の観点から下限を２．０％とした。

ＡｌはＳｉ同様に固有抵抗を増加させるのに有効な元素であるが、添加量が３．０％を超えると鋳造性を悪化させるため、生産性を考慮して３．０％を上限とした。下限については特に定めるものではないが、脱酸の安定化(鋳造中のノズル詰まり防止)の観点から、Ａｌ脱酸の場合は０．０２％以上、Ｓｉ脱酸の場合は０．０１％未満が好ましい。

Ｎｂは炭化物を生成し、結晶粒径を微細化するのに必要な元素である。０．０１％未満では十分な炭化物の析出が望めないため、０．０１％を下限とした。また０．０５％を超えて添加しても効果が飽和するので上限を０．０５％とした。

Ｎｉは鋼板をあまり脆化させずに高強度化できる有効な元素である。ただし高価であることから必要強度に応じて添加することとする。添加する場合、その効果が十分得られる添加量としては０．５％以上が好ましい。上限はコストを考慮して３．０％とした。

ＭｎはＳｉと同様に固有抵抗を増加させ、固溶体強化としても有効な元素であるが、炭化物を活用する本発明の鋼板では、Ｍｎ量の増加は鋼板の靭性に著しく影響を与えるためにその含有量は制限される。
すなわち、本発明者らは、モータコアの打抜き加工および鋼板製造における歩留まりや生産性を改善するためには、ＭｎとＣとの関係が重要であり、Ｃ量との関係で、Ｍｎ量を（０．６−１０×Ｃ）以下とする必要があることを新らたに見出した。

その理由は必ずしも明確でないが、本発明者らは以下のように考えている。
Ｍｎ量が多いとＭｎＳは高温から析出するために粗大化し、一方でＭｎ量が少ないとＭｎＳはより低温で析出するために微細化する。ＮｂＣはＭｎＳと複合析出する場合が多いため、ＮｂＣの析出状態はＭｎＳの影響を強く受ける。すなわちＭｎ量が多いと粗大で粗に、Ｍｎ量が少ないと微細で密に分散する。鋼板の結晶粒径は微細な方が靭性に優れるが、炭化物が粗に分散した場合、結晶粒成長の抑止力が弱く、結晶粒成長が促進され、鋼板の靭性が低下するものと考えている。さらに析出物が粗大であると衝撃時に析出物まわりに応力が集中して靭性が低下すると考えられる。また炭化物のサイズや分散はＣ量にも影響され、Ｃ量が多いと炭化物は高温から析出するために粗大で粗に、Ｃ量が少ないと低温で析出するために微細で密になる。

以上のことから、鋼板の靭性はＭｎＳの析出形態に影響を与えるＭｎ量、及び炭化物自身の析出に影響を与えるＣ量の関係で整理できることを知見し、その関係式として、質量％でＭｎ≦０．６−１０×Ｃを見出したものである。

したがってＭｎについては、上述のＣの下限規定値、ＭｎとＣ量の規定式から０．５％を上限値とするが、鋼板の靭性の観点から０．２％以下がより好ましい。下限については製鋼における脱Ｍｎ処理のコストを考慮して０．０５％以上とした。

次に、本発明の無方向性電磁鋼板の他の数値限定の限定理由について説明する。

製品板の再結晶部分の面積比率は、安定した材質強度を得る観点から５０％以上に規定した。仕上焼鈍の焼鈍温度を低く、あるいは焼鈍時間を短くして、再結晶部分の面積比率を５０％未満に低下させていくと、冷延組織からの回復組織が残存して高強度が得られるものの、温度や時間の僅かな変動による強度変化が大きく、所定の強度を保証するためには適していない。

製品板の引張試験における降伏強度については、高速回転するロータの破壊限界を考慮して６５０ＭＰａ以上に規定した。より好ましくは７００ＭＰａ以上である。ここで規定した降伏応力については上降伏点の値とする。なお引張試験片は圧延方向とし、形状はＪＩＳに基づいたものとする。

また、破断伸びについては１０％未満であると打抜き加工時に鋼板端面の近傍に割れが入り、応力集中して破断に至るため、１０％以上と規定した。この１０％以上の破断伸びを得るためにも、製品板の再結晶率は５０％以上にする必要がある。なぜならば再結晶率５０％未満では、未再結晶部に残存する加工歪によって、破断伸びが著しく低下するからである。

製品板の鉄損についてはＷ１０／４００(４００Ｈｚで１．０Ｔまで励磁した時の鉄損)で７０Ｗ／ｋｇ以下と規定した。７０Ｗ／ｋｇを超えるとロータの発熱が大きくなり、ロータに装入されている磁石の減磁によるモータ出力が低下するからである。さらに好ましくは５０Ｗ／ｋｇ以下である。

製品板断面の平均結晶粒径については４０μｍ以下の細粒にすることで、より高い降伏強度と破断伸びが得られるため、４０μｍ以下に規定した。

本発明では、生産性をより向上させるために、電磁鋼板を製造する過程で、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用いるのがより好ましい。

本発明者らは、電磁鋼板の熱延後の製造過程やモータコアの打抜き過程などで割れや破断が生じた場合、熱延板の遷移温度が高く、その熱延後の製造工程そのものが鋼板の脆性領域であったとの考えに基づき、条件を調整して熱延板の遷移温度を下げ、熱延後、延性領域で製造するようにしたところ、割れや破断が生じないことを見出した。
そして、酸洗、冷延、仕上焼鈍の各製造工程において、７０℃の鋼板温度は確保できることから、熱延板の遷移温度がこの温度より低ければ、熱延以降の各製造工程で割れや破断が生じるような問題はなく、したがって熱延板の遷移温度の上限を７０℃に規定した。もちろんさらに安定的に通板するためには、遷移温度はより低いことが好ましい。

ここで規定した遷移温度とはＪＩＳに規定されている通り、試験温度と延性破面率の関係を示す遷移曲線において延性破面率５０％と内挿できる温度である。または延性破面率０％と１００％の吸収エネルギーの平均値となる温度を内挿しても構わない。なお試験片はＪＩＳに規定されたサイズを基本とするが、試験片の幅については熱延板の厚みとする。したがってサイズとしては圧延方向に長さ５５ｍｍ、高さ１０ｍｍ、幅は熱延板の厚みに応じて１．５〜３．０ｍｍ程度である。さらに試験に際しては試験片を複数本重ね、フルサイズ試験片の厚みである１０ｍｍに近づける方が好ましい。

本発明の無方向性電磁鋼板は、製鋼、熱延（あるいは、熱延、熱延板焼鈍）、酸洗、冷延、仕上焼鈍からなる通常の工程で製造でき、その際の製造条件についても、特別の条件を必要とするものではなく、例えば、熱延のスラブ加熱温度については１０００〜１２００℃、仕上温度は８００〜１０００℃、巻取り温度は７００℃以下の標準的な条件でよい。特に、熱延板衝撃試験温度の遷移温度を７０℃以下にする場合には、熱延板の再結晶およびＣの偏析を抑制することが重要で、巻取り温度を６００℃以下、更に好ましくは５５０℃以下にすることが好ましい。

熱延板の厚みについては薄い方が酸洗通板や冷延通板時の割れや破断防止に有利であるため、熱延板の靭性と生産効率等を勘案して適宜調整できるものとする。また熱延板焼鈍については、熱延板の靭性、仕上焼鈍時の結晶粒成長、機械特性や磁気特性を勘案して実施の有無を決定すればよい。仕上焼鈍については製品の結晶粒径を介して機械特性や鉄損を左右するため、必要特性に応じて適宜調整できるものとする。特に平均結晶粒径を４０μｍ以下とし、かつ再結晶部分の面積比率を５０％以上とするためには、仕上焼鈍を焼鈍温度７９０℃〜９００℃で焼鈍時間１０〜６０秒の条件で行うことが好ましい。

以上説明したように、本発明は、電磁鋼板の化学組成を、質量%で、Ｃ：０．０１％以上０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以上４．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０５％以下を含有し、あるいは、さらにＮｉ：０．５％以上３．０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、ＭｎとＣの含有量が質量％でＭｎ≦０．６−１０×Ｃを満たすものとし、かつ、仕上焼鈍後の電磁鋼板の再結晶部分の面積比率を５０％以上、引張試験における降伏強度を６５０ＭＰａ以上、破断伸びを１０％以上、鉄損Ｗ１０／４００を７０Ｗ／ｋｇ以下とし、さらに好ましくは、鋼板断面の平均結晶粒径を４０μｍ以下とするとともに、電磁鋼板製造時に、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用いことにより、モータコアや鋼板製造時の歩留まりや生産性を犠牲にすることなく、強度に優れた無方向性電磁鋼板を低コストで提供することができる。

以下、実施例を用いて、本発明の実施可能性及び効果についてさらに説明する。
なお、実施例に用いた条件はその確認のための一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、本発明は種々の条件を採用し得るものである。

（実施例１）
実験室の真空溶解炉にて、表１に示す成分の鋼片を作製し、１１００℃で６０分の加熱を施した後、直ちに熱延して板厚２．０ｍｍとし、９００℃で１分の熱延板焼鈍の後に酸洗を施し、一回の冷延にて板厚０．３５ｍｍとした。こうして得られた冷延板に７９０℃で３０秒間の仕上焼鈍を施した。表１に示す通り、本発明の条件を満たす試料Ａ２,Ａ５,Ａ７,Ａ８,Ａ１１において降伏強度６５０ＭＰａ以上でかつ、破断伸び１０％以上の良好な特性が得られた。また、これらの試料では再結晶部分の面積比率は５０％以上であった。なお本発明の条件を満たさない試料Ａ１,Ａ４,Ａ１０では降伏強度６５０ＭＰａ未満、試料Ａ６では破断伸びが１０％未満、試料Ａ３,Ａ１２は鉄損が７０Ｗ／ｋｇ超で基準を満たさなかった。

（実施例２）
実験室の真空溶解炉にて、質量％でＣ：０．０３２％、Ｓｉ：３．０％、Ｍｎ：０．１２〜１．０％、Ａｌ：０．３％、Ｎｂ：０．０３５％を含有した鋼片を作製した。これらの鋼片に対し、１１００℃で６０分の加熱を施した後、直ちに熱延して板厚２．０ｍｍとし、酸洗を施し、一回の冷延にて板厚０．５０ｍｍとした。こうして得られた冷延板に８００℃で３０秒間の仕上焼鈍を施した。表２に示す通り、全ての試料で降伏強度６５０ＭＰａ以上、鉄損７０Ｗ／ｋｇ以下と良好であったが、本発明の条件を満たす試料Ｂ１〜Ｂ３においては、破断伸びが１０％以上でかつ熱延板の遷移温度７０℃以下の良好な靭性が得られ、また、再結晶部分の面積比率も５０％以上であった。なお、本発明の条件を満たさない試料Ｂ４では破断伸びが１０％未満、試料Ｂ５〜Ｂ８では破断伸びが１０％未満でかつ熱延板の遷移温度が７０℃超であった。

（実施例３）
実験室の真空溶解炉にて、質量％でＣ：０．００５〜０．０９５％、Ｓｉ：２．７％、Ｍｎ：０．２４％、Ａｌ：０．６％、Ｎｂ：０．０４５％を含有した鋼片を作製した。これらの鋼片に対し、１１２０℃で６０分の加熱を施した後、直ちに熱延して板厚１．８ｍｍとし、酸洗を施し、一回の冷延にて板厚０．３５ｍｍとした。こうして得られた冷延板に８２０℃で３０秒間の仕上焼鈍を施した。表３に示す通り、全ての試料で降伏強度６５０ＭＰａ以上であったが、本発明の条件を満たす試料Ｃ１〜Ｃ４においては、破断伸びが１０％以上でかつ熱延板の遷移温度７０℃以下の良好な靭性が得られた。また、これらの試料では再結晶部分の面積比率は５０％以上であった。なお、本発明の条件を満たさない試料Ｃ５では破断伸びが１０％未満、試料Ｃ６〜Ｃ８では破断伸びが１０％未満でかつ熱延板の遷移温度が７０℃超であった。

（実施例４）
実験室の真空溶解炉にて、質量％でＣ：０．０２１％、Ｓｉ：３．５％、Ｍｎ：０．１８％、Ａｌ：０．０３％、Ｎｂ：０．０２５％、Ｎｉ：０．０１〜２．７％を含有した鋼片を作製した。これらの鋼片に対し、１１２０℃で６０分の加熱を施した後、直ちに熱延して板厚１．８ｍｍとし、酸洗を施し、一回の冷延にて板厚０．３５ｍｍとした。こうして得られた冷延板に８３０℃で３０秒間の仕上焼鈍を施した。表４に示す通り、すべての試料で降伏強度６５０ＭＰａ以上、破断伸び１０％以上、鉄損７０Ｗ／ｋｇ以下、熱延板の遷移温度７０℃以下と良好であり、再結晶部分の面積比率も５０％以上であったが、特に、Ｎｉを０．５％以上添加した試料Ｄ４〜Ｄ１０においては非常に高い降伏応力が得られた。

（実施例５）
実験室の真空溶解炉にて、質量％でＣ：０．０２４％、Ｓｉ：２．８％、Ｍｎ：０．１７％、Ａｌ：０．８％、Ｎｂ：０．０２８％を含有した鋼片を作製した。これらの鋼片に対し、１１２０℃で６０分の加熱を施した後、直ちに熱延して板厚１．８ｍｍとし、酸洗を施し、一回の冷延にて板厚０．３５ｍｍとした。こうして得られた冷延板に７００℃から９００℃の異なる温度で３０秒間の仕上焼鈍を施した。表５に示す通り、再結晶部分の面積比率が低いＥ１以外のすべての試料で、降伏強度６５０ＭＰａ以上、破断伸び１０％以上、鉄損７０Ｗ／ｋｇ以下の良好な特性であったが、特に、平均結晶粒径が４０μｍ未満で、かつ再結晶部分の面積比率が５０％以上の試料Ｅ２〜Ｅ４においては非常に高い降伏応力が得られ、また破断伸びも特に良好であった。

Claims (5)

1. 質量%で、Ｃ：０．０１％以上０．０５％以下、Ｓｉ：２．０％以上４．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上０．５％以下、Ａｌ：３．０％以下、Ｎｂ：０．０１％以上０．０５％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、ＭｎとＣの含有量が質量％でＭｎ≦０．６−１０×Ｃを満たし、かつ、鋼板の再結晶部分の面積率が５０％以上、引張試験における降伏強度が６５０ＭＰａ以上、破断伸びが１０％以上、鉄損Ｗ１０／４００が７０Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
2. 質量％でＮｉ：３．０％以下をさらに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。
3. 鋼板断面の平均結晶粒径が４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板において、該無方向性電磁鋼板が、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用い、その後熱延板焼鈍、酸洗、冷延、仕上焼鈍からなる工程で製造されたものであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板において、該無方向性電磁鋼板が、衝撃試験における遷移温度が７０℃以下である熱延板を用い、その後、熱延板焼鈍を省略して酸洗、冷延、仕上焼鈍からなる工程で製造されたものであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。