JP2010132938A

JP2010132938A - クラッド型電磁鋼板

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Publication number: JP2010132938A
Application number: JP2008307475A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Zaizen; 善彰財前; Yoshihiko Oda; 善彦尾田; Akira Fujita; 藤田　　明; Masaaki Kono; 雅昭河野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP5272688B2

Abstract

【課題】高磁束密度と高周波低鉄損の両者に優れた電磁鋼板の提供する。
【解決手段】内層の方向性電磁鋼板の両面を無方向性電磁鋼板で挟んで表層とした３層構造のクラッド型電磁鋼板とし、表層である無方向性電磁鋼板については、Si：２〜７質量％およびAl：３質量％以下を、（Si＋Al）≧４質量％を満足する範囲で含有し、残部Feおよび不可避的不純物の組成とし、一方内層である方向性電磁鋼板については、Si：５質量％以下およびAl：0.5質量％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物の礎石にすると共に、さらにクラッド鋼板全体の厚みに対する表層のクラッド比Ｋ（％）について、次式
５％≦Ｋ≦30％
但し、Ｋ＝（表層片側の板厚／全板厚）×100（％）
の範囲を満足させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の両面を無方向性電磁鋼板で挟んだ３層構造になるクラッド型電磁鋼板に関し、特にクラッド鋼板とすることにより、高磁束密度と高周波低鉄損の両特性を併せて達成しようとするものである。

近年、ガソリンエンジンと駆動モータを併用したハイブリッド車が普及してきており、その駆動モータの鉄心材料として電磁鋼板が使用されている。この電磁鋼板は、モータ効率を向上させるために、高磁束密度および高周波低鉄損という特性が求められる。

従来の電磁鋼板は、高周波低鉄韻を達成するために、SiやAl等の比抵抗を高める合金元素を添加することで高周波低鉄損の低減を図ってきたが、この方式では合金元素の添加による磁束密度の低下が避けられない。一方、高磁束密度を達成するには、Si、Al等の合金元素の添加を低減する必要があるため、比抵抗の減少に伴う高周波鉄損の増大が避けられない。
従って、現在までのところ、高磁束密度と高周波低鉄損の両者を高いレベルで満足する電磁鋼板は存在しない。

ところで、近年、ハイブリッド車の駆動モータとして、分割コアが採用されている。この分割コアは、従来のように、コアを鋼板から一体物として打ち抜くのではなく、モータのティース部が鋼板の圧延方向となるように打ち抜くことにより、モータ特性の向上を図っている。この手法によれば、磁束の集中するティース部が電磁鋼板の圧延方向となるため、電磁鋼板の圧延方向の特性が極めて重要となってくる。

一方向に優れた磁気特性を有する電磁鋼板として、特許文献１に、板厚を0.25mm以下とし、かつ鉄以外の成分の含有率を１質量％以下とすることにより、高周波低鉄損と高磁束密度を達成する技術が提案されている。
しかしながら、この技術は、板厚を極端に薄くする必要があるため、加工性に劣るという問題があった。
特開平７−２１６５１７号公報

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、従来に比べて、圧延方向に対する高磁束密度と高周波低鉄損の両者を高いレベルで兼ね備える電磁鋼板の提案することを目的とする。

さて、発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、高磁束密度と高周波低鉄損とは、成分的には相反するものであるから、単一の鋼板でこれら両特性を満足させるのは難しいとしても、それぞれの特性に優れた鋼板を貼り合わせれば、すなわちクラッド材とすれば、所期した目的が達成されるのではないか、との考えを得るに到った。
そこで、内層の両側を表層で挟む３層構造のクラッド材を前提として、内層および表層に付与すべき特性について種々検討を重ねた結果、試行錯誤の末に、本発明を完成させるに至ったのである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．方向性電磁鋼板を内層とし、その両面を無方向性電磁鋼板で挟んで表層とした３層構造になるクラッド型電磁鋼板であって、表層である無方向性電磁鋼板が、Si：２〜７質量％およびAl：３質量％以下を、（Si＋Al）≧４質量％を満足する範囲で含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、一方内層である方向性電磁鋼板が、Si：５質量％以下およびAl：0.5質量％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに次式で示される表層のクラッド比Ｋ（％）が、
５％≦Ｋ≦30％
但し、Ｋ＝（表層片側の板厚／全板厚）×100（％）
の範囲を満足することを特徴とするクラッド型電磁鋼板。

２．表層である無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径ｄ（μm）が、50μm≦ｄ≦300μmの範囲をを満足することを特徴とする上記１に記載のクラッド型電磁鋼板。

３．内層である方向性電磁鋼板が、さらに
Mn：３質量％以下、
Cr：３質量％以下、
Ni：10質量％以下、
Co：10質量％以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有することを特徴とする上記１または２に記載のクラッド型電磁鋼板。

４．表層である無方向性電磁鋼板が、さらに
Mn：５質量％以下、
Cr：５質量％以下、
Ni：10質量％以下、
Co：10質量％以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有することを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載のクラッド型電磁鋼板。

５．表層である無方向性電磁鋼板が、さらに質量％で、
Sn：0.1質量％以下、
Sb：0.1質量％以下
のうちから選んだ一種または二種を含有することを特徴とする上記４に記載のクラッド型電磁鋼板。

本発明によれば、従来、並立させるのが難しいとされた、高磁束密度と高周波低鉄損の両者を兼ね備える、換言すると低周波および高周波での磁気特性に優れた電磁鋼板を得ることができ、特に分割コアの用途において極めて有用な材料を提供することができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の技術思想は、表皮効果とクラッド機構を利用することにある。
周知のとおり、高周波領域では外部磁界の浸透が減少するという現象があり、表皮効果として知られていろ。このとき、鋼板内部の磁束Ｂが鋼板表面磁束Ｂ₀に対しＢ／Ｂ₀＝1／ｅになる深さを表皮厚さδと称し、次式(1)で表される。
δ＝｛１／（π・ｆ・σ・μ₀・μ_S）｝^1/2 --- (1)
ここで、ｆ：周波数、σ：鋼板導電率、μ₀：真空の透磁率、μ_S：鋼板の比透磁率

上掲式(1)より、周波数ｆ、鋼板導電率σおよび鋼板の比透磁率μ_Sが上昇するに従って、より表層に磁束が流れるようになることが分かる。このため、渦電流も鋼板表層部に集中するようになるので、高周波域での鉄損低減のためには鋼板表層部での鉄損を低減することが有効である。高周波域での鉄損低減手法としては、合金元素を添加して比抵抗の向上を図る、および結晶粒径を適切に制御する、といったことが挙げられる。一般に結晶粒経を大きくするとヒステリシス損は減少するが渦電流損は増大する。

一般に、方向性電磁鋼板は、製造プロセスとして二次再結晶を利用していることから、結晶粒径が非常に大きくなってしまうため、渦電流が増加し、鉄損が増大してしまう。
すなわち、表層に方向性電磁鋼板を用いると渦電流損の増加により高周波鉄損が増大するため、表層には無方向性電磁鋼板を使用することが有利であり、これにより高周波鉄損の低減を図ることができる。

一方、低周波領域では表皮効果が弱まり、磁束が一様に鋼板を貫通することから、内層には高磁束密度材が有利である。また、低周波領域では、渦電流損よりもヒステリシス損が支配的になるため、低周波領域での鉄損を低減するためには低ヒステリシス損の材料が求められる。

ここで、分割コアは、圧延方向に優れた磁気特性を有する材料を使用することにより、モータの特性向上を図るものであるため、圧延方向の磁気特性が極めて重要になってくる。
方向性電磁鋼板は、二次再結晶プロセスを利用しているため、結晶粒径が粗大となりヒステリシス損が低減されるだけでなく、圧延方向に対してゴス方位と呼ばれる方位に強く集積するため圧延方向に高い磁束密度を有している。このことから、内層材として方向性電磁鋼板を使用することにより、低周波域での鉄損を低減できると共に、高磁束密度化を図ることができる。
従って、表層には無方向性電磁鋼板を、一方内層には方向性電磁鋼板を使用することにより、高磁束密度と高周波低鉄損の両者が達成されるのである。

次に、クラッド鋼板の表層および内層として最適な鋼板の成分組成範囲について説明する。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。

(1) 表層である無方向性電磁鋼板の成分組成
Si：２〜７％
Siは、固有抵抗を上昇させる元素であり、鋼板の渦電流を抑制し、高周波城での鉄損を低減させる効果がある。この渦電流抑制効果を得るには、少なくとも２％のSiが必要であり、一方Siが７％を超えると鋼板の加工性が著しく劣化することから、Si量は２〜７％の範囲に限定した。

Al：３％以下
Alも、Siと同様、固有抵抗を上昇させ、鋼板の渦電流を抑制して高周波域での鉄損を低減させる元素である。しかしながら、含有量が３％を超えると添加コストの問題があるため、Alの上限は３％とした。

（Si＋Al）≧４％
上述したとおり、SiおよびAlはいずれも、渦電流抑制元素として有効であるので、本発明では、表層の固有抵抗を上昇させ、渦電流を抑制して高周波鉄損を低減させる観点から、SiとAlは合計で（Si＋Al）≧４％を満足する範囲で含有させるものとした。

(2) 内層である方向性電磁鋼板の成分組成
Si：５％以下、
内層には、高い磁束密度が要求される。しかしながら、Siを５％を超えて添加すると磁束密度が低下することから、その上限を５％とした。

Al：0.5％以下
内層は、上述したとおり、高磁束密度が要求されるが、Alを添加すると飽和磁束密度の低下を招くため、その上限を0.5％とした。高磁束密度の観点からさらに好ましくは0.1％以下である。

以上、表層である無方向性電磁鋼板および内層である方向性電磁鋼板の基本成分について説明したが、本発明では、表層および内層について、さらに以下に述べる元素を適宜含有させることができる。

(1) 表層である無方向性電磁鋼板の任意成分
Mn：５％以下、Cr：５％以下、Ni：10％以下、Co：10％以下
Mn，Cr，NiおよびCoはいずれも、比抵抗増加元素として有用な元素であるが、いずれも上限を超えて含有させると磁束密度の低下を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、それぞれMn：0.05〜５％、Cr：0.5〜５％、Ni：0.1〜10％、Co：0.1〜10％の範囲である。

Sn：0.1％以下、Sb：0.1％以下
SnおよびSbはいずれも、結晶粒を微細化して、渦電流を低減する有用元素であるが、いずれも上限を超えて含有させると飽和磁束密度の低下を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、Sn：0.005〜0.1％、Sb：0.005〜0.1％の範囲である。

(2) 内層である方向性電磁鋼板の任意成分
Mn：３％以下、Cr：３％以下、Ni：10％以下、Co：10％以下
Mn，Cr，NiおよびCoはいずれも、比抵抗増加元素として有用な元素であるが、いずれも上限を超えて含有させると磁束密度の低下を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させるものとした。より好ましくは、それぞれMn：0.05〜３％、Cr：0.5〜３％、Ni：0.1〜10％、Co：0.1〜10％の範囲である。

また、本発明で、渦電流損を表層のみに負担させる観点から、適正なクラッド比にしておくことが重要である。ずなわち、クラッド比があまりに小さいと表層だけで渦電流を負うことができなくなり、内層での渦電流増加を招いて、鉄損が増大し、優れた磁気特性を得ることができなくなる。一方、クラッド比があまりに大きいと内層の割合が小さくなるため、磁束密度の低下を招き、やはり優れた磁気特性が得られなくなってしまう。
以上の観点から、適正なクラッド比について検討したところ、クラッド鋼板全体の厚みに対する表層のクラッド比Ｋ（％）は、次式
５％≦Ｋ≦30％
但し、Ｋ＝（表層片側の板厚／全板厚）×100（％）
を満足する範囲に制御するものとした。
なお、表層の上面側と下面側の鋼板厚みについては、必ずしも同一とする必要はなく、上掲式を満足する適正なクラッド比であれば、上下非対称の厚みとしても構わない。

さらに、本発明では、表層の結晶粒径を所定の範囲に制御することが好適である。
表層は、高周波低鉄損材が必要であり、Siレベルを上昇させて固有抵抗の増大を図っても結晶粒径が粗大化すると渦電流が増大し、高周波域における鉄損は増大する。一方、結晶粒径が小さすぎてもヒステリシス損が増え、鉄損が増大する。
そこで、表層の好適な結晶粒径ｄについて検討したところ、50μm以上、300μm以下の範囲が特に好適であることが判明した。
従って表層である無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径ｄ（μm）については、50μm≦ｄ≦300μmの範囲とすることが好ましい。

なお、同様に、内層である方向性電磁鋼板の結晶粒径ｄ′についても検討したところ、内層は、ヒステリシス損を低減する観点から、結晶粒径はある程度大きくした方が好ましく、特に好適な結晶粒径ｄ′は、0.5cm ≦ｄ′≦ ５cmであることが判明した。
なお、結晶粒径は、板面の組織より、JIS G 0551に規定されている結晶粒度の測定法に従って測定することができる。

また、本発明に従う三層クラッドを製造するには、表層の無方向性電磁鋼板と内層の方向性電磁鋼板を接合しさえすればよく、その方法は特に限定されないが、好適接合方法としては、爆発圧着法や加圧圧着法などが挙げられる。

実施例１
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す種々の成分組成になる、表層用無方向性電磁鋼板と内層用方向性電磁鋼板をそれぞれ、別の製造プロセスにて製造した。ついで、700℃に通電加熱し20％圧下にて圧着接合したのち、歪取焼鈍を行った。なお、圧着接合のクラッド鋼板の板厚は、いずれも0.3mm厚となるように、素材厚みを調整した。
かくして得られたクラッド鋼板の圧廷方向の磁気特性を、単板磁気試験器にて測定した結果を、表１に示す。なお、表層用無方向性電磁鋼板および内層用方向性電磁鋼板の結晶粒径ｄ，ｄ′について測定した結果も、表１に併せて示す。
なお、比較のため、表２に示す成分組成になる単層電磁鋼板の圧延方向の磁気特性について測定した結果を、表２に併記する。
ここで、圧延方向の磁気特性を測定評価した理由は、分割コアは、磁束の集中するティース部に電磁鋼板の圧延方向を揃えることでモータ効率の向上を図っているため、電磁鋼板の比延方向の特性が重要となってくるためである。また、近年モータの回転数は小型化に伴って上昇しているため、測定周波数は10kHzとした。

表１に示したとおり、クラッド比が本発明の適正範囲に満たないNo.１は、鉄損に劣っていた。一方、クラッド比が本発明の適正範囲を超えたNo.８，９はいずれも、高磁束密度が達成できていない。また、表層または内層の成分組成が本発明の適正範囲から逸脱したNo.12，13，14，18はいずれも、鉄損または磁束密度のいずれかが劣っていた。さらに、内層を無方向性電磁鋼板としたNo.26は、磁束密度に劣り、一方表層を方向性電磁鋼板としたNo.27は、鉄損に劣っていた。
また、表２中、No.30として示した無方向性電磁鋼板のみの単層鋼では磁束密度が、一方No.31として示した方向性電磁鋼板のみの単層鋼で鉄損がそれぞれ劣っていた。
これに対し、本発明の要件を満足するNo.２〜７、No.10〜11、No.15〜17、No.19〜25はいずれも、高周波低鉄損と高磁束密度の両者を兼ね備えていることが分かる。

実施例２
表３に示す種々の成分組成になる、表層用無方向性電磁鋼板と内層用方向性電磁鋼板をそれぞれ、別の製造プロセスにて製造した。ついで、実施例１と同様にして、三層クラッド鋼板とした。
かくして得られたクラッド鋼板の圧廷方向の磁気特性を、単板磁気試験器にて測定した結果を、表３に併記する。

表３に示したとおり、本発明では、本発明で掲げた任意成分を添加した場合であっても、添加量が適正範囲であれば、高周波低鉄損と高磁束密度が共に優れた電磁鋼板が得られることが分かる。

Claims

方向性電磁鋼板を内層とし、その両面を無方向性電磁鋼板で挟んで表層とした３層構造になるクラッド型電磁鋼板であって、表層である無方向性電磁鋼板が、Si：２〜７質量％およびAl：３質量％以下を、（Si＋Al）≧４質量％を満足する範囲で含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、一方内層である方向性電磁鋼板が、Si：５質量％以下およびAl：0.5質量％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、さらに次式で示される表層のクラッド比Ｋ（％）が、
５％≦Ｋ≦30％
但し、Ｋ＝（表層片側の板厚／全板厚）×100（％）
の範囲を満足することを特徴とするクラッド型電磁鋼板。
表層である無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径ｄ（μm）が、50μm≦ｄ≦300μmの範囲をを満足することを特徴とする請求項１に記載のクラッド型電磁鋼板。
内層である方向性電磁鋼板が、さらに
Mn：３質量％以下、
Cr：３質量％以下、
Ni：10質量％以下、
Co：10質量％以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド型電磁鋼板。
表層である無方向性電磁鋼板が、さらに
Mn：５質量％以下、
Cr：５質量％以下、
Ni：10質量％以下、
Co：10質量％以下
のうちから選んだ一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクラッド型電磁鋼板。
表層である無方向性電磁鋼板が、さらに
Sn：0.1質量％以下、
Sb：0.1質量％以下
のうちから選んだ一種または二種を含有することを特徴とする請求項４に記載のクラッド型電磁鋼板。