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JP6825758B1 - 無方向性電磁鋼板とその製造方法およびモータコア - Google Patents

無方向性電磁鋼板とその製造方法およびモータコア Download PDF

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JP6825758B1
JP6825758B1 JP2020559002A JP2020559002A JP6825758B1 JP 6825758 B1 JP6825758 B1 JP 6825758B1 JP 2020559002 A JP2020559002 A JP 2020559002A JP 2020559002 A JP2020559002 A JP 2020559002A JP 6825758 B1 JP6825758 B1 JP 6825758B1
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孝明 田中
智幸 大久保
智幸 大久保
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善彰 財前
尾田　善彦
善彦 尾田
幸乃 宮本
幸乃 宮本
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JFE Steel Corp
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Abstract

ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．００５％以下、Ｓｉ：２．０〜５．０％、Ｍｎ：０．０５〜５．０％、Ａｌ：３．０％以下およびＺｎ：０．０００３〜０．００５０％を含有する鋼素材を、熱間圧延し、冷間圧延し、冷延板焼鈍する際、上記冷延板焼鈍の加熱過程における５００〜７００℃間の平均昇温速度を１０℃／ｓ以上として７００〜８５０℃間の焼鈍温度まで加熱することで、平均結晶粒径が８０μｍ以下、平均結晶粒径の１．５倍以上の結晶粒が面積率で１０％以上、アスペクト比が０．３以下の結晶粒が面積率で２０％以下の無方向性電磁鋼板を得る。

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板とその製造方法および上記鋼板から構成されるモータコアに関するものである。
近年の電気機器に対する省エネルギー化への要求の高まりにともない、回転機の鉄心に使用される無方向性電磁鋼板に対して、より優れた磁気特性が要求されるようになってきている。また、最近では、ＨＥＶ（ハイブリッド車）やＥＶ（電気自動車）の駆動モータ等における小型化・高出力化への要求を達成するため、駆動周波数を高めてモータの回転数を高めることが行われている。
モータコアは、ステータコアとロータコアに分けられるが、ＨＥＶ駆動モータのロータコアは外径が大きいことから、大きな遠心力が働く。また、ロータコアは、構造上ロータコアブリッジ部と呼ばれる非常に狭い部分（１〜２ｍｍ）が存在し、該部分はモータの駆動中には特に高応力状態となる。さらに、モータは、回転と停止を繰り返すため、ロータコアには遠心力による大きな繰り返し応力が働くことから、ロータコアに用いられる電磁鋼板は、優れた疲労特性を有する必要がある。
一方、ステータコアに用いられる電磁鋼板は、モータの小型化・高出力化を達成するため、高磁束密度・低鉄損であることが望ましい。すわなち、モータコアに使用される電磁鋼板の特性としては、ロータコア用には高疲労特性、ステータコア用には高磁束密度・低鉄損であることが理想的である。
このように、同じモータコアに使用される電磁鋼板であっても、ロータコアとステータコアでは要求される特性が大きく異なる。しかし、モータコアを製造する観点からは、材料歩留りや生産性を高めるため、同一の素材鋼板からロータコア材とステータコア材を同時に採取し、その後、それぞれの鋼板を積層してロータコアまたはステータコアに組み立てることができるのが望ましい。
モータコア用の高強度で低鉄損の無方向性電磁鋼板を製造する技術として、例えば、特許文献１には、高強度の無方向性電磁鋼板を製造し、該鋼板から打抜加工でロータコア材とステータコア材を採取し、積層して、ロータコアとステータコアを組み立てた後、ステータコアのみに歪取焼鈍を施すことで、高強度のロータコアと低鉄損のステータコアを同一素材から製造する技術が開示されている。
特開２００８−５０６８６号公報
しかしながら、発明者らの検討によると、上記特許文献１に開示の技術は、高強度の無方向性電磁鋼板を使用することで降伏応力を高めることができるものの、最も重要な特性である疲労強度が必ずしも向上するとは限らないことや、歪取焼鈍後の鉄損は大きく改善するが、磁束密度が大幅に低下することがあるといった問題がある。
本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高強度・高疲労特性が要求されるロータコア材と、より優れた磁気特性が要求されるステータコア材とを、同一素材から採取することができる無方向性電磁鋼板とその製造方法、ならびに、上記無方向性電磁鋼板から構成されるモータコアを提供することにある。
発明者らは、上記課題の解決に向け、鋼の成分組成、特にＺｎに着目して鋭意検討した。その結果、適切な量のＺｎを添加し、さらに適切な条件で冷延板焼鈍を施して、結晶粒径を制御するとともに、結晶粒径の不均一性を制御することで、高い疲労強度を有するとともに、その後の熱処理における磁束密度の低下が小さい無方向性電磁鋼板が得られることを知見し、本発明を開発するに至った。
［１］ 上記知見に基く本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、平均結晶粒径が８０μｍ以下、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒が面積率で１０％以上、アスペクト比が０．３以下の結晶粒が面積率で２０％以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板である。
［２］ 本発明の上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群；
・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
［３］ また、本発明の上記無方向性電磁鋼板は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、平均結晶粒径が１２０μｍ以上、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒が面積率で５％以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板である。
［４］ また、本発明の上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群；
・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
［５］ また、本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼素材を、熱間圧延して熱延板とし、酸洗し、冷間圧延して冷延板とし、その後、冷延板焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、上記冷延板焼鈍の加熱過程における５００℃から７００℃間の平均昇温速度Ｖ１を１０℃／ｓ以上として、７００℃から８５０℃間の焼鈍温度Ｔ１まで加熱し、冷却することで、平均結晶粒径を８０μｍ以下、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で１０％以上、アスペクト比が０．３以下の結晶粒を面積率で２０％以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法を提案する。
［６］ また、本発明の上記無方向性電磁鋼板の製造方法に用いる上記鋼素材は上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群；
・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
［７］ また、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、上記［５］または［６］に記載の冷延板焼鈍後の無方向性電磁鋼板に、さらに、７５０〜９００℃間の焼鈍温度Ｔ２に加熱・保持する熱処理を施して、平均結晶粒径を１２０μｍ以上、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で５％以上とすることを特徴とする。
［８］ また、本発明は、上記［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板で構成されるロータコアと、上記［３］または［４］に記載の無方向性電磁鋼板で構成されるステータコアからなるモータコアである。
本発明によれば、高強度で疲労強度が高いロータコア材と、磁気特性に優れるステータコア材を、同一の無方向性電磁鋼板から得ることができるので、高性能なモータコアを、材料歩留りよく、かつ、安価に製造することが可能となる。
冷延板焼鈍の加熱過程の５００〜７００℃間における平均昇温速度が、熱処理による磁束密度の劣化量ΔＢ５０に及ぼす影響を示すグラフである。
まず、本発明の無方向性電磁鋼板の成分組成とその限定理由を説明する。なお、本発明においては、無方向性電磁鋼板の製造に用いる鋼素材と製品板の成分組成は同一である。
Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｃは、モータ使用中に炭化物を形成して磁気時効が生じ、鉄損特性を劣化させる有害元素である。この磁気時効を回避するためには、素材中に含まれるＣを０．００５ｍａｓｓ％以下とする必要がある。好ましくは、０．００４ｍａｓｓ％以下である。なお、Ｃの下限は特に規定しないが、製鋼工程での脱炭コストを低減する観点から、０．０００１ｍａｓｓ％程度とするのが好ましい。
Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減するために必須の元素であり、また、固溶強化により鋼の強度を高める元素でもある。上記効果を得るため、本発明では、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上添加する。一方、５．０ｍａｓｓ％を超えると、飽和磁束密度が低下し、磁束密度が顕著に低下するため、上限を５．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは２．５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、より好ましくは３．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下の範囲である。
Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗と強度を高めるのに有用な元素である。これらの効果を得るため、Ｍｎは０．０５ｍａｓｓ％以上添加する。一方、５．０ｍａｓｓ％を超えるＭｎの添加は、ＭｎＣの析出を促進し、磁気特性を劣化させるおそれがあるので、上限は５．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下の範囲である。
Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｐは、鋼の強度（硬さ）調整に用いられる有用な元素である。しかし、０．１ｍａｓｓ％を超える添加は、靱性を低下し、加工時に割れが生じ易くなるため、上限は０．１ｍａｓｓ％とする。なお、下限は特に規定しないが、過度のＰの低減は、製造コストの上昇を招くことから、０．００１ｍａｓｓ％程度とする。好ましくは０．００５ｍａｓｓ％以上０．０８ｍａｓｓ％以下の範囲である。
Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下
Ｓは、微細硫化物を形成して析出し、鉄損特性に悪影響を及ぼす有害元素である。特に０．０１ｍａｓｓ％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．０１ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００５ｍａｓｓ％以下である。
Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する有用な元素である。また、Ｚｎと複合添加した場合には、後述するＺｎ添加と適切な条件の冷延板焼鈍もしくは熱処理を組み合わせることで、Ｚｎ添加による冷延板焼鈍後もしくは熱処理後の結晶粒径の不均一性を変化させる効果を補強する効果がある。これにより、冷延板焼鈍後の鋼板の疲労強度が高まるとともに、その後の熱処理による磁束密度の低下が抑制される。このような効果を得るためには、Ａｌは０．００５ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。より好ましくは０．０１０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは０．０１５ｍａｓｓ％以上である。一方、３．０ｍａｓｓ％を超える添加は、鋼板表面の窒化を促進し、磁気特性を劣化させるおそれがあるので、上限は３．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは２．０ｍａｓｓ％以下である。
Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｎは、微細な窒化物を形成して析出し、鉄損特性に悪影響を及ぼす有害元素である。特に０．００５０ｍａｓｓ％を超えると、その悪影響が顕著になるため、０．００５０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００３０ｍａｓｓ％以下である。
Ｚｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｚｎは、本発明において重要な元素であり、適量を添加し、さらに適切な条件で冷延板焼鈍もしくは熱処理を施すことで、冷延板焼鈍後もしくは熱処理後の結晶粒径の不均一性を変化させる効果がある。これにより、疲労強度が上昇するとともに、熱処理で粒成長させたときの磁束密度の低下が抑制される。このような効果を得るためには、Ｚｎを０．０００３ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。好ましくは０．０００５ｍａｓｓ％以上、より好ましくは０．０００８ｍａｓｓ％以上である。一方、０．００５０ｍａｓｓ％を超える添加は、鋼板の靱性を劣化させ、冷間圧延時の破断の原因となることから、上限を０．００５０ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．００３０ｍａｓｓ％以下である。なお、Ｚｎの適量添加と適切な冷延板焼鈍もしくは熱処理との組み合わせにより結晶粒径の不均一性が変化する理由は、まだ十分に明らかとなっていないが、発明者らは、再結晶や粒成長の駆動力が変化することによるものと推測している。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、要求される特性に応じて、上記成分組成に加えてさらに、以下の成分を含有することができる。
Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
Ｃｒは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果がある。このような効果を得るためには、Ｃｒは０．１ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。一方、５．０ｍａｓｓ％を超えると、飽和磁束密度の低下によって磁束密度が顕著に低下するようになる。よって、Ｃｒを添加する場合は、０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下の範囲で添加するのが好ましい。
Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭは、いずれもＳを硫化物として固定し、鉄損低減に寄与する元素である。このような効果を得るためにはＣａ，ＭｇおよびＲＥＭをそれぞれ０．００１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、０．０１ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけであるため、上限はいずれも０．０１ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
ＳｎおよびＳｂは、集合組織の改善を介して磁束密度を高めるのに有効な元素である。このような効果を得るためには、それぞれ０．００１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけであるため、上限はいずれも０．２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、磁束密度を高めるのに有効な元素である。上記効果を得るためには０．０１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけであるため、上限は３．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
Ｃｕ，Ｎｂ，ＴｉおよびＶは、鋼中に単独で析出し、または、炭化物、窒化物あるいは炭窒化物の形態で析出し、鋼板の強度および疲労強度の向上に寄与する元素である。このような効果を得るためには、Ｃｕは０．０５ｍａｓｓ％以上、ＮｂおよびＴｉはそれぞれ０．００３ｍａｓｓ％以上、Ｖは０．０１０ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、Ｃｕは０．５ｍａｓｓ％超え、ＮｂおよびＴｉはそれぞれ０．０５ｍａｓｓ％超え、Ｖは０．２０ｍａｓｓ％超え添加すると、熱処理時の粒成長を阻害し、鉄損が劣化する場合があるので、上限は、Ｃｕ：０．５ｍａｓｓ％、ＮｂおよびＴｉ：０．０５ｍａｓｓ％およびＶ：０．２０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。ただし、鋼板の強度や疲労強度よりも磁気特性が重要視される場合は、Ｃｕは０．０２ｍａｓｓ％以下、Ｎｂは０．０００５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉは０．００１０ｍａｓｓ％以下およびＶは０．００１０ｍａｓｓ％以下に制限するのが好ましい。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板のミクロ組織について説明する。
まず、［１］または［２］に記載の冷延板焼鈍後の無方向性電磁鋼板について説明する。
平均結晶粒径：８０μｍ以下
発明者らの検討によると、冷延板焼鈍後の鋼板は、平均結晶粒径を微細とすることで疲労強度が向上する。特に、平均結晶粒径が８０μｍ以下であれば、ＨＥＶ／ＥＶモータのロータコア用素材として必要とされる４５０ＭＰａ以上の疲労強度を確保することができる。よって、本発明のロータコアに用いる無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径を８０μｍ以下に制限する。
平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒：面積率で１０％以上
発明者らは、冷延板焼鈍後の結晶粒径の不均一性を制御することで、疲労強度に優れた無方向性電磁鋼板となり、かつ、熱処理により粒成長させたときの磁束密度の低下を抑制できることを新規に見出した。具体的には、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で１０％以上とすることで、ＨＥＶ／ＥＶモータのロータ用材料で必要とされる疲労強度：４５０ＭＰａ以上を満足するとともに、熱処理による磁束密度の低下を抑制することができる。結晶粒径の不均一性を制御することで、このような効果が得られる理由は十分に明らかとなっていないが、隣接する結晶粒同士の方位関係が変化し、その結果、粒界近傍の応力集中が緩和されて疲労強度が向上するとともに、その後の熱処理による集合組織の劣化が抑制されると推測している。なお、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒の好ましい面積率は１５％以上である。上限については特に規定しないが、発明者らの検討によると通常３０％以下である。
アスペクト比が０．３以下の結晶粒：面積率で２０％以下
製品板の鋼板組織に、伸長した結晶粒が多数存在する場合には、応力負荷時の応力集中が助長されるため、疲労強度が低下する。発明者らの検討によれば、ＨＥＶ／ＥＶモータのロータ用材料で必要とされる疲労強度：４５０ＭＰａ以上を満足するためには、アスペクト比が０．３以下の結晶粒が面積率で２０％以下であることが必要である。好ましくは、１０％以下である。
次に、［３］または［４］に記載の熱処理後の無方向性電磁鋼板について説明する。
平均結晶粒径：１２０μｍ以上
無方向性電磁鋼板の鉄損特性は、平均結晶粒径に依存して変化する。そこで、本発明の熱処理後の鋼板は、ステータコアに求められる鉄損特性を達成するため、平均結晶粒径を１２０μｍ以上とする。好ましくは１５０μｍ以上である。なお、過度の粗大化は、鉄損の劣化を起こす可能性があることから、上限は５００μｍ程度とするのが好ましい。
平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒：面積率で５％以上
前述したように、結晶粒径の不均一性を制御することで、疲労強度に優れた無方向性電磁鋼板となり、かつ熱処理により粒成長させた場合の磁束密度の低下を抑制できることを見出した。具体的には、本発明の無方向性電磁鋼板は、熱処理により粒成長させた後の鋼板組織について、平均結晶粒径の１．５倍以上の結晶粒径を有する結晶粒の面積率が５％以上であれば、熱処理後の磁束密度の低下を最小限に抑えることができる。好ましくは１０％以上である。上限については特に規定しないが、発明者らの検討によると通常２５％以下である。
ここで、平均結晶粒径および平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒の面積率およびアスペクト比が０．３以下の結晶粒の面積率は、いずれも鋼板表面に平行かつ板厚１／４の位置における表面（観察面）を電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）で測定し、実施例に記載した方法で解析して得た値である。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
まず、［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板は、上記した［１］または［２］に記載の成分組成を有する鋼素材を製造し、該鋼素材を熱間圧延して熱延板とし、該熱延板に必要に応じで熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延し、冷延板焼鈍を施すことにより製造することができる。以下、具体的に説明する。
鋼素材
本発明の［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板の製造に用いる鋼は、上記した［１］または［２］に記載の成分組成に調整したものであればよく、その鋼の溶製方法は、転炉または電気炉や真空脱ガス装置等を用いた通常公知の精錬プロセスを採用することができ、特に限定されない。また、鋼素材の製造方法は、連続鋳造法が好ましいが、造塊−分塊圧延法または薄スラブ連鋳法等を用いてもよい。
熱間圧延
熱間圧延は、上記成分組成を有する鋼素材に、熱間で圧延を施すことで所定の板厚の熱延板を得る工程である。この熱間圧延の条件は、特に規定しないが、例えば、鋼素材の再加熱温度は１０００℃以上１２００℃以下、熱間圧延の仕上圧延終了温度は８００℃以上９５０℃以下、熱間圧延終了後の平均冷却速度は２０℃／ｓ以上１００℃／ｓ以下、コイル巻取温度は４００℃以上７００℃以下の巻取温度でコイルに巻き取る条件を例示することができる。
熱延板焼鈍
熱延板焼鈍は、上記熱延板を加熱し高温に保持することで、鋼板組織を均質化する工程である。熱延板焼鈍の焼鈍温度、保持時間は、特に規定しないが、８００℃以上１１００℃以下×３ｓ以上６００ｓ以下の範囲とするのが好ましい。なお、この熱延板焼鈍は、必須ではなく、省略してもよい。
酸洗
酸洗は、熱延板焼鈍後の鋼板、または、熱延板焼鈍を省略する場合の熱延板を脱スケールする工程である。酸洗条件は、冷間圧延を施すことができる程度に脱スケールできればよく、例えば塩酸または硫酸等を使用する常用の酸洗条件を適用することができる。この酸洗は、上記熱延板焼鈍ラインで焼鈍後に連続して実施してもよいし、別のラインで実施してもよい。
冷間圧延
冷間圧延は、酸洗を経た熱延板または熱延焼鈍板に、冷間で圧延して製品板の板厚（最終板厚）とする工程である。この冷間圧延は、上記最終板厚とすることができれば、特に制限されない。また、冷間圧延は、１回に限定されず、必要に応じて中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を行ってもよい。この場合の中間焼鈍条件も常用の条件であればよく、特に制限はない。
冷延板焼鈍
冷延板焼鈍は、冷間圧延で最終板厚とした冷延板に焼鈍を施す工程であり、本発明においては重要な工程の一つである。この冷延板焼鈍は、加熱過程の５００℃から７００℃間の平均昇温速度Ｖ１を１０℃／ｓ以上として、７００から８５０℃間にある焼鈍温度Ｔ１まで加熱し、必要に応じて均熱し、冷却する条件で行う必要がある。以下、具体的に説明する。
５００〜７００℃間の平均昇温速度Ｖ１：１０℃／ｓ以上
５００℃から７００℃間の平均昇温速度が低い場合は、再結晶核の生成頻度が低いため、早期に核生成した再結晶粒が成長した領域が主体となり、比較的粗大な結晶粒が大半を占める組織となりやすい。そのため、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒の面積率が小さくなる。一方、５００℃から７００℃間の平均昇温速度が高い場合には、再結晶核の生成頻度が高く、各々が異なった速度で粒成長するため、平均的なサイズの結晶粒に対して粗大な粒径を有する結晶粒の割合が増加する。特に、本発明に適合する成分組成を有する鋼板では、５００℃から７００℃間の平均昇温速度Ｖ１を１０℃／ｓ以上とすることで、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で１０％以上に高めることができる。好ましくは５０℃／ｓ以上、より好ましくは、１００℃／ｓ以上、さらに好ましくは２００℃／ｓ以上である。
焼鈍温度Ｔ１：７００℃以上８５０℃以下
焼鈍温度Ｔ１が７００℃未満であると、再結晶粒の成長が遅延するため、冷間圧延によって伸長した結晶粒の粒界を超えた再結晶粒の成長が抑制され、伸長した再結晶粒となり易い。また、鋼板の一部が再結晶せず、冷間圧延で伸長した結晶粒がそのまま残存することもある。その結果、アスペクト比が０．３以下の結晶粒を面積率で２０％以下とすることができなくなる。よって、本発明では、焼鈍温度Ｔ１は７００℃以上とする。好ましくは７５０℃以上である。一方、焼鈍温度Ｔ１が８５０℃を超えると、再結晶粒が過度に成長し、平均結晶粒径を８０μｍ以下とすることができなくなる。よって、焼鈍温度Ｔ１は８５０℃以下とする。好ましくは８２５℃以下である。
上記冷延板焼鈍後の鋼板は、表面に絶縁コーティングを施すことで製品とするのが一般的であるが、その方法およびコーティングの種類は特に限定されず、要求される被膜特性に応じで適宜、常用の絶縁コーティングを適用すればよい。
次に、本発明の［３］または［４］に記載の熱処理後の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の［３］または［４］に記載の無方向性電磁鋼板は、前述したように、［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板に、以下に説明する熱処理を施すことで製造することができる。以下、熱処理条件について具体的に説明する。
焼鈍温度Ｔ２：７５０℃以上９００℃以下
熱処理の焼鈍温度Ｔ２が７５０℃未満では、粒成長が不十分となり、平均結晶粒径を１２０μｍ以上とすることができない。よって、焼鈍温度Ｔ２は７５０℃以上とする。好ましくは７７５℃以上である。一方、焼鈍温度Ｔ２が９００℃を超えると、結晶粒が過度に成長し、結果として均質な組織となるため、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で５％以上とすることができなくなる。そのため、焼鈍温度Ｔ２は９００℃以下とする。好ましくは８７５℃以下である。なお、焼鈍温度に保持する時間は、特に規定しないが１０ｍｉｎ以上５００ｍｉｎ以下の範囲とするのが好ましい。また、熱処理時の雰囲気についても特に規定しないが、非酸化性あるいは還元性の雰囲気であることが好ましい。
次に、本発明のモータコアおよびその製造方法について説明する。
本発明のモータコアは、［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板からロータコア材とステータコア材を採取し、ロータコア材を積層したロータコアと、ステータコア材を積層・熱処理して作製した、［３］または［４］に記載の無方向性電磁鋼板からなるステータコアと、からなる。上記ロータコアとステータコアを製造する方法は、上記の同一素材鋼板からロータコア材とステータコア材を採取すること以外は、常法の方法に従えばよく、特に制限はない。
ただし、本発明のモータコアの製造において重要なことは、上記積層したステータコアに対しては、所望の磁気特性を付与するため、前述した熱処理を施すことが必要であるということである。なお、この熱処理は、通常、上記したようにコアに組み立て後のステータコアに施すことが一般的であるが、［１］または［２］に記載の無方向性電磁鋼板を分割し、一方の鋼板に、上記と同じ条件の熱処理を施した後、該鋼板からステータコア材を採取し、積層してステータコアとしてもよい。また、上記［１］または［２］に記載の素材鋼板から、ロータコア材とステータコア材を同時に採取した後、ステータコア材にのみ上記と同じ条件の熱処理を施した後、積層してステータコアに組み立ててもよい。
表１に示した種々の成分組成を有する鋼を、通常公知の手法により溶製し、連続鋳造して肉厚２３０ｍｍのスラブ（鋼素材）とした後、該スラブを熱間圧延して、板厚２．０ｍｍの熱延板とした。次いで、上記熱延板に通常公知の手法により熱延板焼鈍および酸洗を施した後、冷間圧延して、表２に示す種々の板厚の冷延板とした。
次いで、上記冷延板に、表２に示す条件で冷延板焼鈍を施した後、通常公知の手法により絶縁被膜を塗布し、冷延焼鈍板とした。
次いで、上記冷延焼鈍板に、表２に示す焼鈍温度で１ｈｒ保持する熱処理を施し、熱処理板とした。
斯くして得た冷延焼鈍板および熱処理板について、以下の評価試験に供し、その結果を表２中に併記した。
＜鋼板の組織観察＞
上記冷延焼鈍板および熱処理板のそれぞれから組織観察用の試験片を採取し、試験片の圧延面（ＮＤ面）に平行で、板厚の１／４に相当する位置が観察面となるように、化学研磨により減厚し、鏡面化した。この観察面に対し、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）測定を行った。なお、上記測定条件は、冷延焼鈍板に対しては、ステップサイズ：２μｍ、測定領域：４ｍｍ２とし、熱処理板に対しては、ステップサイズ：１０μｍ、測定領域：１００ｍｍ２とした。
次いで、上記測定結果について、解析ソフト：ＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ８を用いて、局所方位データの解析を行なった。なお、上記データ解析に先立ち、解析ソフトのGrain Dilation機能（Grain Tolerance Angle：５°、Minimum Grain Size：５、Single Iteration：ＯＮ）、および、Grain CI Standardization機能（Grain Tolerance Angle：５°、Minimum Grain Size：５）によるクリーンアップ処理を順に１回ずつ施し、ＣＩ値＞０．１の測定点のみを解析に使用した。
次いで、結晶粒界をGrain Tolerance Angleを１５°として定義した上で、Grain Size（diameter）のArea Averageを求め、平均結晶粒径とした。さらに、平均結晶粒径の１．５倍以上の結晶粒径を有する結晶粒の割合（面積率）を求めた。さらに、ＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ８により定義されたアスペクト比（Grain Shape Aspect ratio）が０．３以下である結晶粒の割合（面積率）を求めた。
＜疲労特性の評価＞
上記の冷延焼鈍板から、圧延方向を長手方向とする引張疲労試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２７５：１９７８に準拠した１号試験片、ｂ：１５ｍｍ、Ｒ：１００ｍｍ）を採取し、引張り−引張り（片振り）、応力比（＝最小応力／最大応力）：０．１および周波数：２０Ｈｚの条件で疲労試験を実施し、繰り返し数１０７回において疲労破断を起こさない最大応力を疲労限（疲労強度）とした。なお、疲労特性の評価は、疲労限が４５０ＭＰａ以上の場合に疲労特性に優れるとした。
＜磁気特性の評価＞
上記の冷延焼鈍板および熱処理板のそれぞれから、長さ方向を圧延方向または圧延直角方向とする、幅３０ｍｍ×長さ１８０ｍｍの磁気測定用試験片を採取し、ＪＩＳ Ｃ ２５５０−１：２０１１に準拠したエプスタイン法で、冷延焼鈍板については磁束密度Ｂ５０を、熱処理板については磁束密度Ｂ５０および鉄損Ｗ１０／４００を測定した。そして、熱処理前後の磁束密度Ｂ５０の差ΔＢ５０（熱処理後の磁束密度Ｂ５０−熱処理前の磁束密度Ｂ５０）が−０．０４０Ｔ以上である場合に、熱処理による磁束密度の低下が抑制されていると評価した。また、熱処理後の鉄損Ｗ１０／４００は、板厚０．１０ｍｍ材では８．８Ｗ／ｋｇ以下、０．２０ｍｍ材では１０．３Ｗ／ｋｇ以下、板厚０．２５ｍｍ材では１１．５Ｗ／ｋｇ以下、板厚０．３５ｍｍ材では１４．７Ｗ／ｋｇ以下、板厚０．５０ｍｍ材では２１．７Ｗ／ｋｇ以下の場合に、鉄損特性に優れていると評価した。
Figure 0006825758
Figure 0006825758
Figure 0006825758
Figure 0006825758
表１に示したＡｌ含有量およびＺｎ含有量が異なる鋼符号Ａ，ＭおよびＮのスラブ（鋼素材）を、上記した実施例１と同じ条件で、熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延板とし、熱延板焼鈍し、酸洗した後、冷間圧延して、板厚０．２５ｍｍの冷延板とした。
次いで、上記冷延板に、表３に示す条件で冷延板焼鈍を施した後、絶縁被膜をコーティングし、冷延焼鈍板とした。この際、冷延板焼鈍における加熱過程の５００〜７００℃間における平均昇温速度を種々に変化させた。
次いで、上記冷延焼鈍板に、表３に示す焼鈍温度で１ｈｒ保持する熱処理を施し、熱処理板とした。
斯くして得た冷延焼鈍板および熱処理板について、実施例１と同様にして、鋼板の組織観察、疲労特性および磁気特性の評価試験に供し、その結果を、表３中に併記するとともに、図１に示した。これらの結果から、適切な条件で冷延板焼鈍を施した場合に、Ｚｎの単独添加で熱処理による磁束密度の劣化が抑制されること、さらに、Ｚｎ＋Ａｌの複合添加で熱処理による磁束密度の劣化がより抑制されることがわかる。
Figure 0006825758
本発明の技術は、ＨＥＶ／ＥＶモータだけでなく、高効率エアコンモータや、工作機械の主軸モータ、鉄道モータ等の高速モータにも適用することができる。

Claims (8)

  1. Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
    平均結晶粒径が８０μｍ以下、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒が面積率で１０％以上、アスペクト比が０．３以下の結晶粒が面積率で２０％以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  2. 上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群のうちの少なくとも１群の成分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。
    記
    ・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
    ・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
    ・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
  3. Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
    平均結晶粒径が１２０μｍ以上、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒が面積率で５％以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  4. 上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする請求項３に記載の無方向性電磁鋼板。
    記
    ・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
    ・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
    ・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
  5. Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０５ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００３ｍａｓｓ％以上０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼素材を、熱間圧延して熱延板とし、酸洗し、冷間圧延して冷延板とし、その後、冷延板焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、
    上記冷延板焼鈍の加熱過程における５００℃から７００℃間の平均昇温速度Ｖ１を１０℃／ｓ以上として、７００℃から８５０℃間の焼鈍温度Ｔ１まで加熱し、冷却することで、
    平均結晶粒径を８０μｍ以下、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で１０％以上、アスペクト比が０．３以下の結晶粒を面積率で２０％以下とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
  6. 上記鋼素材は上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ〜Ｅ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする請求項５に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
    記
    ・Ａ群；Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｂ群；Ｃａ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．０１ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
    ・Ｃ群；Ｓｎ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下およびＳｂ：０．００１ｍａｓｓ％以上０．２ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種
    ・Ｄ群；Ｎｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下
    ・Ｅ群；Ｃｕ：０．０５ｍａｓｓ％以上０．５ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．００３ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下およびＶ：０．０１０ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下のうちのいずれか１種または２種以上
  7. 上記請求項５または６に記載の冷延板焼鈍後の無方向性電磁鋼板に、さらに、７５０〜９００℃間の焼鈍温度Ｔ２に加熱・保持する熱処理を施して、平均結晶粒径を１２０μｍ以上、平均結晶粒径の１．５倍以上の粒径を有する結晶粒を面積率で５％以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
  8. 請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板で構成されるロータコアと、請求項３または４に記載の無方向性電磁鋼板で構成されるステータコアからなるモータコア。
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