JP2008031490A

JP2008031490A - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP2008031490A
Application number: JP2006202681A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Oda; 善彦尾田; Masaaki Kono; 雅昭河野; Tomoyuki Okubo; 智幸大久保
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP5181439B2

Abstract

【課題】ロータの作製上の問題を引き起こすことなく、B50が1.60T以上、W_10/400が23W/kg以下で、疲労限が330MPa以上の無方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】質量%で、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、Al:3%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域が鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの範囲に及ぶ無方向性電磁鋼板。
【選択図】図1

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板、特に、疲労特性に優れた無方向性電磁鋼板に関する。

電気自動車用モータのような、車の加減速にともない回転数が大きく変動するモータにおいては、そのロータ用材料である電磁鋼板に対して、磁気特性と疲労特性に優れていることが要求されている。このような特性は、電気自動車用モータだけではなく、インバータにより可変速運転が行われる高効率エアコン用モータにおいても要求されている。

こうした磁気特性と機械特性を兼ね備えた無方向性電磁鋼板として、例えば、特許文献1には、Nb添加により析出強化された高張力無方向性電磁鋼板が開示されている。また、特許文献2には、磁石内蔵タイプのロータのブリッジ部に板厚減少部を塑性加工により形成し、その部分を窒化処理により高強度化して高速回転を可能する電磁鋼板ロータの製造方法が開示されている。
特開2003‐342698号公報特開2005‐94941号公報

しかしながら、特許文献1に記載の高張力無方向性電磁鋼板では、W_10/1000が100W/kg程度で、これはW_10/400に換算するとほぼ40W/kgぐらいで十分に低い鉄損が得られない。特許文献2に記載の方法では、ブリッジ部の一部を塑性加工し、その部分に窒化処理を施す必要があり、ロータの生産性を著しく阻害する。

本発明は、ロータの作製上の問題を引き起こすことなく、磁気特性と疲労特性に優れた無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らが、磁気特性と疲労特性が両立するような無方向性電磁鋼板について検討したところ、以下のことを見出した。
(1)鋼板表層部のみを高強度化し、かつ板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域を鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの範囲に形成させることが効果的である。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、質量%で、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、Al:3%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域が鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの範囲に及ぶ無方向性電磁鋼板を提供する。

例えば、板厚中心部の組成が、質量%で、C:0.008%以下、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、P:0.2%以下、S:0.02%以下、Al:3%以下、N:0.008%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの領域のN量が0.01%以上である無方向性電磁鋼板や、板厚中心部の組成が、質量%で、C:0.008%以下、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、P:0.2%以下、S:0.02%以下、Al:3%以下、N:0.008%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの領域のC量が0.01%以上である無方向性電磁鋼板を挙げることができる。

さらに、質量%で、Sn:0.002〜0.05%、Sb:0.001〜0.05%、Ni:0.01〜5%、Cu:0.01〜2%、Co:0.05〜5%、Cr:0.1〜5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることができる。

本発明により、ロータの作製上の問題を引き起こすことなく、B50が1.60T以上、W_10/400が23W/kg以下で、疲労限が330MPa以上の無方向性電磁鋼板を製造できるようになった。

以下に、本発明の詳細を説明する。(なお、成分に関する「%」表示は、特に断らない限り質量%を意味するものとする。)
電磁鋼板の疲労特性を向上させるためには、疲労亀裂のイニシエーションを抑制することが重要である。そこでまず、電磁鋼板の疲労亀裂のイニシエーションサイトについて調査を行った。その結果、打ち抜き時に生じるバリ近傍から疲労亀裂が発生していることが明らかとなった。このことから、本発明者らは、バリの大きさを低減するとともに、バリ近傍、すなわち鋼板表層部を高強度化すれば、板厚中心部付近を高強度化する必要はなく、磁気特性に好ましい組織にすることが可能であるとの考えに到った。

そこで、まず、鋼板表層部の高強度化による疲労限向上について、以下の検討を行った。Si:2.8%、Mn:0.18%、P:0.01%、Al:0.30%、N:0.0015%とした鋼を実験室で溶解し、熱間圧延後、1000℃×30sの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、引き続き10%H₂-90%N₂雰囲気にて10s間仕上焼鈍を行った後、雰囲気のN₂分圧を0〜100%に変化させて850℃×3hrの焼鈍を行い、窒化処理により表層部の高強度化を図って、疲労試験を行った。疲労試験は、仕上焼鈍後と窒化処理後の鋼板より平行部の幅5mm、長さ150mmのサンプルを打ち抜きにより作製し、応力比0.1、周波数20Hzの部分片振り(引張り-引張り)で行い、繰り返し数10⁷回において破壊が生じない応力振幅、すなわち疲労限を求めた。

図1に、鋼板表面から5μmの領域でのビッカース硬度HV_Sと板厚中心部のビッカース硬度HV_Cの比(HV_S/HV_C)と疲労限の関係を示す。HV_S/HV_Cが1.3以上となった場合に330MPa以上の疲労限が得られることがわかる。この原因を調査するため疲労亀裂のイニシエーションサイトであるバリの観察を行ったところ、窒化処理により表層部の強度を高めた材料ではバリ高さが小さくなっており、このバリ高さの減少とイニシエーションサイト近傍の高強度化により疲労亀裂の発生が抑制されたものと考えられる。

次に、表面からの強度を向上させた領域の深さと疲労限との関係を調査するため、以下の検討を行った。Si:2.8%、Mn:0.18%、P:0.01%、Al:0.50%、N:0.0020%とした鋼を実験室で溶解し、熱間圧延後、1000℃×30sの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、引き続き10%H₂-90%N₂雰囲気にて10s間仕上焼鈍を行った後、100%N₂雰囲気にて850℃×0〜10hrの焼鈍を行い、窒化処理により表層部の高強度化を図って、上記の疲労試験を行って疲労限を求めた。また、25cmエプスタイン試験片を用いてW_10/400を測定した。

図2に、板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域の鋼板表面からの範囲と疲労限および鉄損との関係を示す。板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域の鋼板表面からの範囲が5μm未満では、疲労限を向上させる効果が小さいことがわかる。一方、この領域の鋼板表面からの範囲が50μmを超えると鉄損が増大する。以上のことから、板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域の範囲は鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmである必要がある。

表層部の硬化された領域の窒素量を調査するため、鋼板表面より所定の領域範囲まで電解抽出を行い、析出物としての窒素量と固溶している窒素量を求め、両者を合わせたトータルの窒素量を求めた。その結果、硬度と窒素量には良い相関が認められ、HV_S/HV_C≧1.3の領域の窒素量は0.01%以上であることが明らかとなり、0.02%以上にすることにより疲労強度がさらに向上することが明らかとなった。なお、窒化処理は打ち抜き加工後に行ってもよいが、バリ高さの減少の観点からは打ち抜き前に施すことが好ましい。

このような表層部を高強度化する手法としては浸炭処理も有効である。この場合も高強度化される領域のC量を0.01%以上、より好ましくは0.02％以上とする。

窒化処理や浸炭処理を施す前の電磁鋼板の成分、すなわち鋼板の板厚中心部の値で代表される成分の含有量は、次のように限定する必要がある。

Si:鋼板の固有抵抗を上げ、鉄損を低下させるのに有効な元素であるが、4%を超えると飽和磁束密度の低下にともない低磁場における磁束密度を低下させるので、Si量は4%以下とし、好ましくは0.5%以上とする。

Mn:熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために0.05%以上にする必要があるが、5%を超えると磁束密度が低下するので、Mn量は0.05〜5%とする。

Al:Siと同様に、鋼板の固有抵抗を上げ、鉄損を低下させるのに有効な元素であるが、3%を超えると飽和磁束密度の低下にともない低磁場における磁束密度を低下させるので、Al量は3%以下とし、好ましくは0.2%以上とする。

残部はFeおよび不可避的不純物である。

また、C、P、S、Nの含有量は、次のようにすることが好ましい。

C:炭化物を形成し、磁気特性を劣化させるため、C量は0.008%以下とすることが好ましい。

P:鋼板の打抜き加工性を改善するために有効な元素であるが、0.2%を超えると鋼板が脆化するので、P量は0.2%以下とし、好ましくは0.005%以上とする。

S:硫化物を形成し、磁気特性を劣化させるため、S量は0.02%以下とする。

N:AlNとして析出し、鉄損を増大させるので、N量は0.008%以下とする。

さらに、これらの元素に加え、磁気特性向上のために、Sn:0.002〜0.05%、Sb:0.001〜0.05%、Ni:0.01〜5%、Cu:0.01〜2%、Co:0.05〜5%、Cr:0.1〜5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることが好ましい。

本発明の無方向性電磁鋼板においては、成分および鋼板表層部の硬度が所定の範囲内にあれば、鋼板表層部の硬度調整以外は、通常の製造方法を適用できる。すなわち、転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理して所定の成分に調整し、鋳造、熱間圧延を行い、次いで、必要に応じて熱延板焼鈍を行い、一回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、仕上焼鈍を行う。仕上焼鈍後、窒化処理や浸炭処理を施すことにより、表層部のみを高強度化することが可能である。なお、窒化処理や浸炭処理は熱延板焼鈍の段階で行っても構わない。

また、スラブ段階で表層部に高強度材をクラッドすることにより、最終製品の表層部の硬度を高めることも可能である。表層へのクラッド材として、例えば、Ti、Nb等の析出強化を活用した材料やSi、Mn、Al等の固溶強化を活用した材料を用いることが可能である。

さらに、仕上焼鈍板にNiメッキを施し、拡散処理を行うことにより鋼板の表層部のＮｉ量を高めることにより表層部の強度を高めることも可能である。

転炉で吹練した後に脱ガス処理を行って表1に示す成分に調整した鋼No.A〜Kをスラブに鋳造後、スラブを1100℃で1時間加熱した後、板厚2.0mmまで熱間圧延を行った。熱間圧延の仕上温度は800℃、巻取温度は610℃とし、巻取り後は、酸洗し、1000℃×30sの熱延板焼鈍を施した。その後、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、表2に示す仕上焼鈍温度で30秒間の仕上焼鈍を行い、さらに表2に示す窒化処理条件で窒化処理を施して鋼板No.1〜17を作製した。そして、板厚方向のビッカース硬度(荷重10g)、N量の測定や、上記の方法で磁気特性(W_10/400、B50)および疲労限の測定を行った。

結果を表2に示す。成分および鋼板表層部の硬度を本発明の範囲内に制御した発明例である鋼板No.3〜6、9〜14では、B50が1.60T以上、W_10/400が23W/kg以下で、330MPa以上の疲労限が得られることがわかる。

転炉で吹練した後に脱ガス処理を行って表3に示す成分に調整した鋼No.Lをスラブに鋳造後、スラブを1100℃で1時間加熱した後、板厚2.3mmまで熱間圧延を行った。熱間圧延の仕上温度は800℃、巻取温度は610℃とし、巻取り後は、酸洗し、1000℃×30sの熱延板焼鈍を施した。その後、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、表4に示す仕上焼鈍温度で30秒間の仕上焼鈍を行い、さらに表4に示す浸炭処理条件で浸炭処理を施して鋼板No.18〜24を作製した。そして、板厚方向のビッカース硬度(荷重10g)、C量の測定や、上記の方法で磁気特性(W_10/400、B50)および疲労限の測定を行った。

結果を表4に示す。成分および鋼板表層部の硬度を本発明の範囲内に制御した発明例である鋼板No.20〜23では、B50が1.60T以上、W_10/400が23W/kg以下で、330MPa以上の疲労限が得られることがわかる。

鋼板表面から5μmの領域でのビッカース硬度HV_Sと板厚中心部のビッカース硬度HV_Cの比(HV_S/HV_C)と疲労限の関係を示す図である。板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域の鋼板表面からの範囲と疲労限および鉄損との関係を示す図である。

Claims

質量%で、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、Al:3%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ板厚中心部のビッカース硬度の1.3倍以上の硬度を有する領域が鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの範囲に及ぶ無方向性電磁鋼板。
板厚中心部の組成が、質量%で、C:0.008%以下、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、P:0.2%以下、S:0.02%以下、Al:3%以下、N:0.008%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの領域のN量が0.01%以上である無方向性電磁鋼板。
板厚中心部の組成が、質量%で、C:0.008%以下、Si:4%以下、Mn:0.05〜5%、P:0.2%以下、S:0.02%以下、Al:3%以下、N:0.008%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、かつ鋼板表面から板厚中心部に向かって5〜50μmの領域のC量が0.01%以上である無方向性電磁鋼板。
さらに、質量%で、Sn:0.002〜0.05%、Sb:0.001〜0.05%、Ni:0.01〜5%、Cu:0.01〜2%、Co:0.05〜5%、Cr:0.1〜5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有する請求項1から3のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。