JP5429411B1

JP5429411B1 - 無方向性電磁鋼板

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Publication number: JP5429411B1
Application number: JP2012557108A
Authority: JP
Inventors: 岳顕脇坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: WO2013179438A1; US20140342150A1; EP2778246B1; KR20140026575A; CN103582713B; PL2778246T3; EP2778246A4; EP2778246A1; CN103582713A; JPWO2013179438A1; BR112013019023A2

Abstract

Ｃ：０．００５質量％以下、Ｓ：０．００３質量％以下、Ｎ：０．００３質量％以下、Ｓｉ：２．０質量％以上４．５質量％未満、Ａｌ：０．１５質量％以上２．５質量％未満、及びＣｒ：０．３質量％以上５．０質量％未満を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、表面側に厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＣｒ酸化物を含む層を有し、さらに［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｃｒ］をそれぞれ無方向性電磁鋼板のＳｉ含有量、Ａｌ含有量、Ｃｒ含有量（質量％）とし、ｔを無方向性電磁鋼板の板厚（ｍｍ）とした場合に、１０質量％≦２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＜１５質量％、（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ^２≦０．３５を満たすことを特徴とする無方向性電磁鋼板。

Description

本発明は、モータコア、特に電気自動車やハイブリッド自動車のように高速回転や高周波駆動されるモータコアの素材として好適な無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、電気自動車及びハイブリッド自動車が多く普及しており、これらの自動車に使用される駆動用モータは、高速回転化が進展しているとともに、インバータによる高周波駆動化が進展している。高速回転化して、かつ高周波駆動化するためには、モータコアとして用いられる無方向性電磁鋼板において高周波鉄損を低減することが求められている。

無方向性電磁鋼板の高周波鉄損を低減するためには、板厚を小さくするとともに、高合金化による高い固有抵抗を備えるようにすることが有効である。ところが、板厚を小さくすると、鉄鋼メーカでは、生産性が低下し、モータメーカでは、打抜きを行うコスト、及び積層させるコストが増大する。さらに、薄手化することによりコア剛性が低下したり、積層を固定することが困難になったりする等の課題もある。このため、要求される鉄損特性とコストとのバランスから製品の板厚が選ばれることになる。

高合金化により固有抵抗を高めるには、Ｓｉ、Ａｌ及びＭｎが一般的に用いられる。ところが、Ｓｉ及びＡｌを添加すると、鋼板の硬度が上昇して鋼板が脆化し、生産性が劣化する課題があるため、添加量に上限がある。また、Ｍｎを添加した場合には、鋼板の硬度の上昇幅は小さいが、固有抵抗を上昇させる効果はＳｉ及びＡｌと比較して半分程度である。さらに、熱間圧延工程において赤熱脆性の問題を引き起こすことがあるため、添加量に上限がある。

そこで、固有抵抗を高める他の技術として、例えば特許文献１には、Ｃｒを１．５％〜２０％添加して固有抵抗を高める技術が開示されている。Ｃｒを添加した場合の固有抵抗の上昇効果はＭｎと同程度であるが、２０％以下の添加であれば鋼板の硬度はそれほど上がらず、脆化の懸念は低い。また、Ｍｎと異なり赤熱脆性の課題も少ない。

ところで、電気自動車及びハイブリッド自動車の駆動モータは、高速走行だけではなく、起動時及び登坂時の低速高トルク走行でも使用され、また高効率が要求される高頻度走行領域はそれらの中間の速度であることが考えられる。そのため、モータコア用の電磁鋼板には、高周波数での鉄損低減のみならず、低周波数での鉄損低減も要求される。

しかし、発明者らが、上掲した特許文献に開示の技術について詳細に検討したところ、特許文献１の技術では、一定の周波数以上、例えば３０００Ｈｚでの鉄損は良好となるが、例えば８００Ｈｚなどの低い周波数ではむしろＣｒ添加量の増加に伴い鉄損が劣化してしまう問題点がある。また、製品の板厚によっては、鉄損が劣化し始める周波数が変化することも分かった。

特開２００１−２６８２３号公報特開２００３−１８３７８８号公報特開２００２−３１７２５４号公報特開２００２−１１５０３５号公報

本発明は、前述の問題点を鑑みてなされたものであり、幅広い周波数で鉄損の優れた無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

そこで、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、Ｓｉ、Ａｌ及びＣｒの質量％の比が製品の板厚とある一定の式を満たすことにより、所望の目的が達成されるとの知見を得た。すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。

（１）Ｃ：０．００５質量％以下、Ｓ：０．００３質量％以下、Ｎ：０．００３質量％以下、Ｓｉ：２．０質量％以上４．５質量％未満、Ａｌ：０．１５質量％以上２．５質量％未満、及びＣｒ：０．３質量％以上５．０質量％未満を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、表面側に厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＣｒ酸化物を含む層を有し、さらに以下の式１及び式２を満たし、板厚が０．３ｍｍ以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
１０質量％≦２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＜１５質量％・・・式１
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ²≦０．３５・・・式２
（ここで、［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｃｒ］はそれぞれ前記無方向性電磁鋼板のＳｉ含有量、Ａｌ含有量、Ｃｒ含有量（質量％）であり、ｔは前記無方向性電磁鋼板の板厚（ｍｍ）である。）
（２）さらに、以下の式３を満たすことを特徴とする（１）に記載の無方向性電磁鋼板。
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−５ｔ²≦０．３５・・・式３
（３）さらに、Ｍｎ：０．２質量％以上１．５質量％以下を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。
（４）仕上げ焼鈍において、昇温時３００〜５００℃の酸素ポテンシャルを１０^-3以下として製造されたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載の無方向性電磁鋼板。

本発明によれば、より幅広い周波数で鉄損の優れた無方向性電磁鋼板を提供することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。まず、本発明における成分組成範囲の限定理由について説明する。

Ｓｉは、鋼板の固有抵抗を増加させ、渦電流損を低減させることによって高周波鉄損を低減するために有効な元素であり、Ｓｉ含有量は２質量％以上４．５質量％未満とする。２質量％未満では固有抵抗を十分に増加させることができず、鉄損を低減させる効果が十分に得られない。一方でＳｉは鋼板の飽和磁束密度を低下させるため、４．５質量％を超えると飽和磁束密度が著しく低下し、無方向性電磁鋼板の材料特性の指標の一つであるＢ５０（励磁磁化力５０００Ａ／ｍでの磁束密度）の低下が顕著となる。

Ａｌは、Ｓｉと同様に鋼板の固有抵抗を増加させ、高周波鉄損を低減するために有効な元素であり、Ａｌ含有量は０．３質量％以上２．５質量％未満とする。０．３質量％未満では固有抵抗を十分増加させることができず、鉄損を低減させる効果が十分に得られない。一方でＡｌは鋼板の飽和磁束密度を低下させるため、２．５質量％を超えると飽和磁束密度が著しく低下し、Ｂ５０の低下が顕著となる。

Ｃｒは、Ｓｉ、Ａｌより効果代は小さいものの鋼板の固有抵抗を増加させ、高周波鉄損を低減するために有効な元素であり、Ｃｒ含有量は０．３質量％以上５質量％未満とする。０．３質量％未満では固有抵抗を十分に増加させることができず、鉄損を低減させる効果が十分に得られない。一方でＣｒは鋼板の飽和磁束密度を低下させるため、５質量％を超えると飽和磁束密度が著しく低下し、Ｂ５０の低下が顕著となる。

また、Ｓｉ、Ａｌ、及びＣｒの質量％の関係において、１０質量％≦２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＜１５質量％の条件を満たすようにする。ここで、［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｃｒ］はそれぞれ無方向性電磁鋼板のＳｉ含有量、Ａｌ含有量、Ｃｒ含有量（質量％）である。２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］が１０質量％未満では、３０００Ｈｚの鉄損が大きくなりすぎる。一方で１５質量％を超えると、鋼板の飽和磁束密度が著しく低下し、Ｂ５０の低下が顕著となる。なお、Ｃｒに対してＳｉ及びＡｌの比重を２倍としているのは、Ｃｒでは効果代が小さいことに基づいている。

Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒの質量％の比：（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］が、製品の板厚と、目的とする周波数に対し、以下に説明する一定の式を満たすようにする。本発明者らが実験を重ねた結果、Ｓｉ含有量を多くしても、ヒステリシス損がそれほど劣化しないが、Ａｌ及びＣｒの含有量を多くすると、ヒステリシス損が急激に劣化することがわかった。その結果、同等の固有抵抗及び板厚であっても、すなわち同等の渦電流損であっても、（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］の比率が大きくなると鉄損が劣化すること、すなわちヒステリシス損が劣化することを見出した。

また、さらなる実験の結果、ヒステリシス損の比率が増加する低周波数の領域、或いは高周波数の領域でも板厚が小さくなり渦電流損が低減すると、この傾向がより顕著になった。渦電流損は周波数の２乗と板厚の２乗とに比例し、ヒステリシス損は周波数の１乗に比例するが板厚に依存しないものと考えられる。そこで、実験データに基づき以下の式を導出した。
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ^２≦０．３５
ここで、ｔは製品である無方向性電磁鋼板の板厚（ｍｍ）である。

また、より低周波数の領域（例えば、４００Ｈｚ）で鉄損を良好にするためには、さらに以下の式の条件を満たすようにすることが好ましい。
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−５ｔ^２≦０．３５

Ｃ、Ｓ、Ｎは、本発明の無方向性電磁鋼板にとっては不純物元素であり、少ないほど望ましい。

Ｃは鋼板中に炭化物として析出し、結晶粒の成長性や鉄損を劣化させる元素である。したがって、Ｃ含有量は０．００５質量％以下とする。０．００５質量％を超えると結晶粒の成長性が劣化し、鉄損が劣化する。さらに磁気時効を抑制するために、０．００３質量％以下とすることが好ましい。下限は特に限定しないが、通常の製造方法では０．００１質量％以下にすることは困難である。

Ｓは鋼板中に硫化物として析出し、結晶粒の成長性及び鉄損を劣化させる元素である。したがって、Ｓ含有量は０．００３質量％以下とする。０．００３質量％を超えると、結晶粒の成長性が劣化し、鉄損が劣化する。下限は特に限定しないが、通常の製造方法では０．０００５質量％以下にすることは困難である。

Ｎ含有量は０．００３質量％以下とする。０．００３質量％を超えるとブリスターと称されるフクレ状の表面欠陥が生じる。下限は特に限定しないが、通常の製造方法では０．００１質量％以下にすることは困難である。

また、目的に応じてその他の元素が含まれていてもよい。
Ｍｎを含む場合には、Ｍｎ含有量を１．５質量％以下とすることが好ましい。Ｍｎも効果代は小さいものの鋼板の固有抵抗を増加させるが、１．５質量％を超えると脆化する可能性がある。下限は特に限定しないが、硫化物の微細析出を抑制する観点から０．２質量％以上であることがさらに好ましい。

その他、磁気特性の向上等の目的のために周知の添加元素を含有させることは差し支えない。この例として、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂについては、少なくとも１種が０．２０質量％以下含有されていてもよい。

次に、以上のような特徴を有する無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。

まず、以上に説明した製品の成分と同じ成分からなる溶鋼を鋳造してスラブを作製し、作製したスラブを再加熱して熱間圧延を行い、熱間圧延板を得る。なお、スラブを作製する際に急冷凝固法により薄スラブを作製したり、薄鋼板を直接鋳造して熱間圧延板を得るようにしたりしてもよい。

次に、得られた熱間圧延板に対して通常の酸洗処理を行い、その後に冷間圧延を行って冷間圧延板を得る。なお、磁気特性向上の目的で、酸洗処理を行う前に熱間圧延板焼鈍を実施してもよい。熱間圧延板焼鈍は連続焼鈍でもバッチ焼鈍でもよく、磁気特性向上に適した結晶粒径が得られる温度及び時間で行う。

冷間圧延は、通常はレバース或いはタンデムで行われるが、ゼンジマーミルなどのレバースミルの方が高い磁束密度を得られるので好ましい。また、Ｓｉ及びＡｌが多すぎると鋼板は脆化するため、脆性破断対策から、温間圧延としてもよい。そして、冷間圧延により製品の板厚にまで圧延される。高周波鉄損低減の観点からその厚さは０．１ｍｍ〜０．３５ｍｍとするのが好ましい。また、冷間圧延において、一回以上の中間焼鈍を挟んでもよい。

冷間圧延で製品の板厚にした後、仕上げ焼鈍を実施する。仕上げ焼鈍では、再結晶して粒成長するための十分な温度が必要であり、通常は８００℃〜１１００℃で実施される。この仕上げ焼鈍により、鋼板の表面にＣｒ酸化層が形成される。

Ｃｒ酸化物は薄く非常にち密な構造を有し、鋼板表面に形成されるとその後の酸素の侵入を防止し、Ｓｉ及びＡｌの内部酸化を抑制すると考えられる。鋼板中のＳｉ及びＡｌは酸化されやすいため、高温で酸素が鋼板中に拡散して内部酸化が生じると、磁壁移動を妨げてヒステリシス損を劣化させる。さらに、内部酸化が生じると、非磁性である酸化層が存在することにより磁束を通すことのできる実効的な断面積を減少させて磁束密度を上げてしまい、渦電流損も劣化させる。また、高周波では表皮効果により磁束が鋼板表層近傍に集中するため、前記の影響はより顕著になる。

以上のことを考慮し、鋼板の表面に形成されるＣｒ酸化層の厚さは０．０１μｍ以上０．５μｍ以下となるようにする。Ｃｒ酸化層の厚さが０．０１μｍ未満では、酸素の侵入を防止してＳｉ及びＡｌの内部酸化を抑制する効果が不十分である。また、Ｃｒ酸化層の厚さが０．５μｍを超えると、磁気特性への悪影響が出始める。Ｃｒ酸化層の厚みを０．０１μm以上０．５μm以下にするには、冷間圧延後の仕上げ焼鈍において、その焼鈍全体を低酸素ポテンシャルにするとともに、昇温時においても低酸素ポテンシャルにする。例えば、昇温時の３００℃〜５００℃をＰ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２≦１０^−３にする。

仕上げ焼鈍の後は、通常絶縁を目的とした皮膜を塗布して焼き付ける。皮膜は絶縁性のものであれば、全有機、全無機、有機質と無機質との混合のいずれでも本発明の効果を妨げないので特に限定しない。

次に、本発明者らが行った実験について説明する。これらの実験における条件等は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した例であり、本発明は、これらの例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、Ｃ：０．００２質量％、Ｓ：０．００２質量％、Ｎ：０．００２質量％、及びＭｎ：０．３質量％を含有し、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒについては、以下の表１に示す組成の熱間圧延板を用意して酸洗を行い、冷間圧延により厚さ０．２５ｍｍの冷間圧延板を得た。次に、表１に示す条件で酸素ポテンシャルを制御し、１０００℃で仕上げ焼鈍を実施し、無方向性電磁鋼板を得た。

次に、得られた無方向性電磁鋼板から磁気測定用のサンプルを切り出し、３０００Ｈｚ、１Ｔの鉄損Ｗ１０／３０００と８００Ｈｚ、１Ｔの鉄損Ｗ１０／８００とを測定した。さらに、観察用サンプルを切り出し、無方向性電磁鋼板の断面を観察した。観察方法としてはＳＥＭ及びＧＤＳを用い、Ｃｒ酸化層の厚さを測定した。その結果、Ｃｒ酸化層の厚さは表１に示すとおりであった。また、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、いずれも２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＝１０、（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ^２＝０．０５３であった。以下の表２に鉄損の測定結果を示す。

表２に示すように、本発明例である試料Ｎｏ．１は、３０００Ｈｚ、８００Ｈｚの両方の周波数で鉄損が優れていた。一方、比較例である試料Ｎｏ．２は試料Ｎｏ．１と同一成分であるが、仕上げ焼鈍の昇温時の酸素ポテンシャルが高かったため、Ｃｒ酸化層の厚みが０．８μｍとなり、鉄損Ｗ１０／３０００、鉄損Ｗ１０／８００とも試料Ｎｏ．１より大きくなった。また、試料Ｎｏ．３は、Ｃｒ含有量が少なかったため、Ｃｒ酸化層を検出できず、厚みが０．０１μｍ未満であったと推定される。その結果、Ｓｉ及びＡｌの内部酸化層が生成したものと推定され、鉄損Ｗ１０／３０００、鉄損Ｗ１０／８００とも試料Ｎｏ．１よりも大きくなった。

（実施例２）
まず、Ｃ：０．００２質量％、Ｓ：０．００２質量％、Ｎ：０．００２質量％、及びＭｎ：０．３質量％を含有し、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒについては、以下の表３に示すような成分Ａ〜成分Ｌの熱間圧延板を用意して酸洗を行い、冷間圧延により厚さ０．１５ｍｍ〜０．３０ｍｍの冷間圧延板を得た。次に、乾水素雰囲気中で１０００℃の仕上焼鈍を実施した。このときの酸素ポテンシャルＰ_Ｈ２Ｏ／Ｐ_Ｈ２は、昇温時の３００〜５００℃では３×１０^−４とし、均熱中では１×１０^−４とし、無方向性電磁鋼板を得た。

次に、得られた無方向性電磁鋼板から磁気測定用のサンプルを切り出し、３０００Ｈｚ、１Ｔの鉄損Ｗ１０／３０００と、８００Ｈｚ、１Ｔの鉄損Ｗ１０／８００と、４００Ｈｚ、１Ｔの鉄損Ｗ１０／４００とを測定した。また、実施例１と同様の手順によりＣｒ酸化層の厚さを測定したところ、Ｃｒ酸化層の厚さはすべての試料において０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲内であった。まず、以下の表４及び表５に鉄損Ｗ１０／３０００及び鉄損Ｗ１０／８００の測定結果を示す。なお、それぞれの試料について（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ^２を計算したところ、以下の表４及び表５に示す結果が得られた。

表４及び表５に示すように、比較例である成分Ａ〜Ｃの試料は、２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＜１０質量％であるため、同じ板厚のものと比較すると鉄損Ｗ１０／３０００が大きかった。成分Ｄ〜Ｌの試料については、いずれも２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］≧１０質量％であり、鉄損Ｗ１０／３０００は同じ板厚の成分Ａ〜Ｃの試料と比較すると小さい。ところが、（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ^２＞０．３５である試料は、同じ板厚のものと比較すると鉄損Ｗ１０／８００が大きくなっていた。

以下の表６及び表７に鉄損Ｗ１０／３０００及び鉄損Ｗ１０／４００の測定結果を示す。なお、それぞれの試料について（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−５ｔ^２を計算したところ、以下の表６及び表７に示す結果が得られた。

表６及び表７に示すように、成分Ｄ〜Ｌについては、いずれも２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］≧１０質量％であるが、（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−５ｔ^２＞０．３５である試料は、同じ板厚のものと比較すると、鉄損Ｗ１０／４００が大きくなっていた。

本発明によれば、電気自動車やハイブリッド自動車のように高速回転や高周波駆動されるモータコアの素材に利用することができる。

Claims

Ｃ：０．００５質量％以下、Ｓ：０．００３質量％以下、Ｎ：０．００３質量％以下、Ｓｉ：２．０質量％以上４．５質量％未満、Ａｌ：０．１５質量％以上２．５質量％未満、及びＣｒ：０．３質量％以上５．０質量％未満を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、表面側に厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＣｒ酸化物を含む層を有し、さらに以下の式１及び式２を満たし、板厚が０．３ｍｍ以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
１０質量％≦２［Ｓｉ］＋２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］＜１５質量％・・・式１
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−１０ｔ²≦０．３５・・・式２
（ここで、［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｃｒ］はそれぞれ前記無方向性電磁鋼板のＳｉ含有量、Ａｌ含有量、Ｃｒ含有量（質量％）であり、ｔは前記無方向性電磁鋼板の板厚（ｍｍ）である。）
さらに、以下の式３を満たすことを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼板。
（２［Ａｌ］＋［Ｃｒ］）／２［Ｓｉ］−５ｔ²≦０．３５・・・式３
さらに、Ｍｎ：０．２質量％以上１．５質量％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。
仕上げ焼鈍において、昇温時３００〜５００℃の酸素ポテンシャルを１０^-3以下として製造されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板。