JP2011083157A - 非磁性箇所を有する鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に精密な加工をすることなく，通電加熱によって確実に加熱して，所望の非磁性箇所を形成することができる非磁性箇所を有する鋼板の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法は，２枚の電磁鋼板に改質物質を挟みこみ，改質物質をその周囲の鋼とともに溶融させて部分的にオーステナイト相を生成させることによるものであって，２枚の電磁鋼板として，それぞれに凹溝が形成されているものを用い，２枚の電磁鋼板を，凹溝同士を対面させて重ね合わせるとともに，凹溝同士が向き合ってできる空間に改質物質を挟む工程と，２枚の電磁鋼板のうちの一方における改質物質が挿入されている箇所を，改質物質の方に向かって凸となるように湾曲させる工程と，改質物質が挿入されている箇所で，２枚の電磁鋼板および改質物質に電流を印加する工程とを有するものである。
【選択図】 図６

Description

本発明は，電磁鋼板等の磁性部材に，部分的な非磁性領域を形成するための鋼板の製造方法に関する。さらに詳細には，鋼板中に改質物質を載置して加熱溶融させ，その箇所を非磁性のオーステナイト組織とすることによる非磁性箇所を有する鋼板の製造方法に関するものである。

従来より，鉄等の磁性部材に部分的にオーステナイト相を生成することにより非磁性箇所を形成する技術がある。例えば，特許文献１には，非磁性化させる箇所に改質元素を添加し，局所的に加熱することにより固溶させる技術が開示されている。また，特許文献２には，鋼材にオーステナイト相を生成する元素を含む材料を塗布し，加熱により鉄とともに溶融させ，合金化させて，非磁性箇所を形成する技術が開示されている。この技術を，例えば回転電機のロータやステータのコアに適用することができる。コアには有効な磁束の経路とならない箇所があるため，その部分を非磁性化するのである。

特開２００１−９３７１７号公報 特開２００８−９９３６０号公報

例えば，多数の電磁鋼板を積層した積層鋼板によるコアに上記の技術を適用する場合には，凹溝を形成した２枚の鋼板を向き合わせ，凹溝の間に改質物質を挟んで加熱する方法が考えられる。その加熱のために，２枚の鋼板を外側から電極で挟みつけて，通電によるジュール熱を利用する方法もある。そして改質物質を溶融させ，鋼板と合金化させることにより，その箇所を非磁性化することができる。

ジュール熱による加熱方法を採用する場合には，改質物質を適切に通過する電流経路が形成されることが必要である。しかしながら，鋼板に切削加工により凹溝を形成した場合，凹溝の底面の角部等に多少の隅肉が残ることは避けられない。そして，挟んだ改質物質が，その角部の隅肉に乗った状態となっていると，図１３に示すように，鋼板１０１，１０２と改質物質１０３との接触面積がごく小さく，また改質物質１０３の端部のみで接触しているものとなるおそれがあった。

この状態で電極１１１，１１２間に通電すると，図１３の中央の図に示すように，改質物質１０３の端部のみに過大な電流が集中して流れ，改質物質１０３の中央部に十分な電流が流れないおそれがある。その場合には，図１３の右の図に点ハッチングで示すように，改質物質１０３の端部のみが特に加熱される。そして，中央部では，溶融不足のために十分に非磁性化されず，図１４に示すように，中央部の薄い非磁性化領域１１５が形成されるという問題点があった。

ごく精密な加工をして，隅肉が残らないようにすることは，原理的にはもちろん可能である。しかし，それではコストも加工時間も大きいものとなってしまい，現実的でない。コアでは，多数の積層鋼板のそれぞれに複数箇所ずつの非磁性箇所を形成することが求められるため，短時間ででき低コストな加工であることが望ましい。

本発明は，前記した従来の鋼板の製造方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，非常に精密な加工をすることなく，通電加熱によって確実に加熱して，所望の非磁性箇所を形成することができる非磁性箇所を有する鋼板の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法は，２枚の電磁鋼板に改質物質を挟みこみ，改質物質をその周囲の鋼とともに溶融させて部分的にオーステナイト相を生成させることによる，非磁性箇所を有する鋼板の製造方法であって，２枚の電磁鋼板として，それぞれに凹溝が形成されているものを用い，２枚の電磁鋼板を，凹溝同士を対面させて重ね合わせるとともに，凹溝同士が向き合ってできる空間に改質物質を挟む工程と，２枚の電磁鋼板のうちの一方における改質物質が挿入されている箇所を，改質物質の方に向かって凸となるように湾曲させる工程と，改質物質が挿入されている箇所で，２枚の電磁鋼板および改質物質に電流を印加する工程とを有するものである。

本発明の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法によれば，２枚の電磁鋼板にそれぞれ凹溝を形成し，その凹溝を向かい合わせた間に改質物質を挟む。さらに，その電磁鋼板の一方の改質物質の箇所を，改質物質の方に向かって凸となるように湾曲させるので，鋼板の凹溝に隅肉が多少残っていても，改質物質と確実に接触させることができる。その状態で２枚の電磁鋼板および改質物質に電流を印加するので，改質物質に確実に電流が流れてジュール熱によって加熱される。従って，改質物質をその周囲の鋼とともに溶融させて部分的にオーステナイト相を生成させることができる。これにより，非常に精密な加工をすることなく，通電加熱によって確実に加熱して，所望の非磁性箇所を形成することができる非磁性箇所を有する鋼板の製造方法となっている。

さらに本発明では，２枚の電磁鋼板のうちの下側に配置されている方を，改質物質が挿入されている箇所以外の箇所で支持するとともに，改質物質が挿入されている箇所に電極を当てて押し上げることによって電磁鋼板を湾曲させることが望ましい。
このようにすれば，容易かつ簡便に電磁鋼板を湾曲させることができるとともに，湾曲させた状態で電流を印加することも容易である。

さらに本発明では，２枚の電磁鋼板のうちの上側に配置されている方に形成されている凹溝の平面形状が，２枚の電磁鋼板のうちの下側に配置されている方に形成されている凹溝の平面形状より大きいことが望ましい。
このようなものであれば，上側に配置されている電磁鋼板と改質物質との間には隙間ができにくい。従って，下側に配置されている電磁鋼板を上に凸に湾曲させることで，２枚の電磁鋼板と改質物質とを適切に接触させることができる。なお，上側に配置されている電磁鋼板に形成されている凹溝の径は，改質物質の径に比較して，例えば１〜３％の範囲内だけ大きいものとすればよい。

本発明の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法によれば，非常に精密な加工をすることなく，通電加熱によって確実に加熱して，所望の非磁性箇所を形成することができる。

本形態の製造方法を示す工程図である。 溝形成工程を示す説明図である。 挟持工程を示す説明図である。 挟持工程を示す説明図である。 電極当接工程を示す説明図である。 電流印加工程を示す説明図である。 電流印加工程後の鋼板の様子を示す説明図である。 非磁性箇所が形成された電磁鋼板を示す説明図である。 実施例の製造方法を示す説明図である。 比較例の製造方法を示す説明図である。 実験の結果を示すグラフ図である。 実施例によって製造された鋼板の例を示す断面図である。 従来の製造方法による電流経路の例を示す説明図である。 従来の製造方法によって製造された鋼板の例を示す断面図である。

以下，本発明を具体化した形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，磁性材に部分的に非磁性箇所を形成する方法に本発明を適用したものである。

本形態は，例えばロータやステータのコアに用いられる積層鋼板の一部に非磁性箇所を形成するためのものである。本形態では，２枚の鋼板の間に改質チップを挟んで通電し，ジュール熱により加熱する方法を採用している。鋼板は，従来より広く使用されている電磁鋼板である。また，改質チップは，ＣｒやＮｉ等を含み，電磁鋼板とともに溶融して合金化することによりオーステナイト相を生成するものである。

本形態の製造方法は，図１に示すように，以下の各工程を順に行うことによるものである。
（１）溝形成工程 ；２枚の鋼板の互いに向き合う箇所にそれぞれ凹溝を形成する。
（２）挟持工程 ；溝形成工程で形成した凹溝に入るように改質チップを挟んで，２枚の鋼板を支持する。
（３）電極当接工程；改質チップの挟まれている箇所の両外側に電極を当接する。
（４）電流印加工程；両電極間に電流を流す。
（５）電極離隔工程；鋼板の温度が下がってから，電極を離す。

これらの各工程について順に説明する。（１）溝形成工程では，図２に示すように，鋼板１１の一部に改質チップ（図３参照）と同形の凹溝１２を形成する。凹溝１２の深さは，鋼板１１の厚さの約半分である。ここでは改質チップとして円板状のものを使用しているので，凹溝１２の平面形状は円形である。この形成方法は，切削加工によればよい。従って，底面の角部に隅肉が多少残ることもある。なお，凹溝１２の形状は改質チップの形状に合わせればよい。

（２）挟持工程では，図３に示すように，（１）によって凹溝１２を形成した２枚の鋼板１１Ａ，１１Ｂを，互いにそれぞれの凹溝１２Ａ，１２Ｂを向き合わせて，それらの間に改質チップ２１を挟む。また，図４に示すように，下側の鋼板１１Ｂのうち，凹溝１２Ｂの範囲より外側を支持部材２５の上に載せる。つまり，両側の凹溝１２Ａ，１２Ｂに改質チップ２１が入るように，下から鋼板１１Ｂ，改質チップ２１，鋼板１１Ａの順に重ねる。そして，これらを改質チップ２１の箇所以外の箇所で支持部材２５によって支持する。支持部材２５は，鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂの裏側に電極を当てられるようになっていれば，全周に設けられていても良いし，一部分であってもよい。

ここで，（１）溝形成工程において，凹溝１２Ｂの底面の角部に隅肉がやや残っていたとすると，図４に示すように，下用の鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂの底面と改質チップ２１の表面との間に隙間２７ができる場合がある。もちろん，この図はかなり大げさに描いたものである。なお，本形態では，鋼板１１として，上用の鋼板１１Ａと下用の鋼板１１Ｂとを区別して用意した。すなわち，上用の鋼板１１Ａの凹溝１２Ａは，下用の鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂよりごく僅かに平面形状が大きいものとした。そのため，上用の鋼板１１Ａの凹溝１２Ａに隅肉が残っていても，上用の鋼板１１Ａの凹溝１２Ａの底面と改質チップ２１との間には隙間はできにくい。

例えば，改質チップ２１として，その直径が３ｍｍのものを用いる場合には，下用の鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂは直径３ｍｍに形成するとともに，上用の鋼板１１Ａの凹溝１２Ａは直径３ｍｍより僅かに大きく形成する。例えば，凹溝１２Ａの直径は，改質チップ２１の直径に比較して，差で０．０３〜０．０９ｍｍの範囲内，もしくは比率で１〜３％の範囲内だけ大きいものとすればよい。なお，下用の鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂの直径は，改質チップ２１の径と全く同じか，差で０．０２５ｍｍ，もしくは比率で０．８％を超えない範囲内で改質チップ２１の径より大きいものとするとよい。ただし，いずれの凹溝も，大きすぎることは鋼板に空泡が残るおそれがあるので好ましくない。

次に，（３）電極当接工程において，図５に示すように，鋼板１１Ａの凹溝１２Ａの上側に当たる箇所と，鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂの下側に当たる箇所とに，それぞれ電極２９Ａ，２９Ｂを当接させ，加圧する。この際に，下側の鋼板１１Ｂに当接させる電極２９Ｂの上端面を，支持部材２５の上端面よりやや高い位置とする。すなわち，鋼板１１Ｂのうち，改質チップ２１の埋まっている箇所を，電極２９Ｂによってやや押し上げるようにするのである。

電極２９Ａ，２９Ｂは，その先端部の接触面が半径の大きな球面となっている。そのため，上述のようにやや高い位置とすることにより，図５に示すように，凹溝１２Ｂの中心部をその周囲に比較して持ち上げることができる。そして，その周囲の箇所は自重によってやや下がった位置となる。従って，下側の鋼板１１Ｂは，改質チップ２１の挟まれている箇所が図中で上に凸となるように湾曲される。

これにより，図５に示すように，改質チップ２１の下面の中央部分と鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂの底面とが確実に接触し，接触箇所３１が形成される。もちろんこの図はかなり大げさに描いたものであるが，実際には隙間２７の程度はごく僅かなものであるので，少し持ち上げるだけで十分に接触させることができる。

続いて，（４）電流印加工程において，電極２９Ａ，２９Ｂ間に電圧を印加して電流を流す。これにより，図６に示すように，電極２９Ａから２９Ｂへ（あるいはその逆でもよい）鋼板１１Ａ，１１Ｂ，改質チップ２１の厚さ方向に電流が流れる。特に，（３）電極当接工程によって，接触箇所３１が形成されているので，少なくとも接触箇所３１を通って確実に電流が流れる（図中矢印３３）。

従って，（４）電流印加工程における通電により，改質チップ２１が発熱する。改質チップ２１は鋼板１１Ａ，１１Ｂより体積抵抗が大きく，かつ，融点の低い材質であり，この発熱によってまず改質チップ２１が溶融する。さらに，改質チップ２１の溶融とともに，図７に示すように，その周辺の鋼板１１Ａ，１１Ｂも巻き込んで溶融箇所３６が形成される。本形態では，鋼板１１Ｂの凹溝１２Ｂと改質チップ２１とを確実に接触させているので，特に改質チップ２１の中央部付近は確実に溶融させることができる。

そして，予め決めた通電時間が経過したら，通電を停止する。この通電時間は，改質チップ２１を確実に溶融させ，適切な非磁性箇所が形成されるのに十分な時間であり，あらかじめ実験等によって決めておいたものである。通電の停止とともに，鋼板１１Ａ，１１Ｂの温度は，電極２９Ａ，２９Ｂへの放熱によって急速に下がる。そして，溶融箇所３６が凝固して，非磁性の改質層となる。

そして，（５）電極離隔工程において，電極２９Ａ，２９Ｂを鋼板１１Ａ，１１Ｂから離隔する。これにより，図８に示すように，非磁性箇所３７が形成され，鋼板１１Ｂは平らな形状に戻る。形成された非磁性箇所３７は，改質チップ２１が元々占めていた範囲より大きい。これで，本形態の製造方法の説明を終了する。

本発明者らは，本発明の効果を実験によって確かめた。以下にその実験の結果を説明する。この実験では，以下に示す大きさの鋼板，改質チップを使用した。
電磁鋼板１１Ａ，１１Ｂ φ１８０ｍｍ 板厚 ０．３ｍｍ
凹溝１２Ａ φ３．０６ｍｍ 深さ ０．１５ｍｍ
凹溝１２Ｂ φ３ｍｍ 深さ ０．１５ｍｍ
改質チップ２１ φ３ｍｍ 板厚 ０．３ｍｍ

通電設備として先端部が半径１０００ｍｍの球面形状のＣｒ−Ｃｕ電極２９Ａ，２９Ｂを使用し，荷重２ｋＮで圧接するとともに，電流８ｋＡ，通電時間０．１５ｓの通電を行った。ただし，図９と図１０とに示すように，実施例と比較例とで電極の配置を異なるものとした。図９に示したのは，実施例の配置であり，支持部材２５の上端面より，下側の電極２９Ｂの上端面を高さＨ（＝０．５ｍｍ）だけ高くした。また，図１０に示したのは，比較例の配置であり，支持部材２５の上端面と下側の電極２９Ｂの上端面との高さを等しくした。

実験の結果は，図１１に示す通りであった。実施例と比較例とをいずれも１０個ずつ製造し，その非磁性箇所の断面の様子から，改質率を比較した。改質率は，図１２に示すように，非磁性箇所３７（改質チップ２１と鋼板１１Ａ，１１Ｂとの合金層）の中心部における厚さＲと板厚Ｄ（鋼板１１Ａと１１Ｂとの厚さの和）との比で求めた。すなわち，改質率＝１００×Ｒ／Ｄ（％）である。本形態では，改質率が６０％を超えていることが好ましい。

図１２は，本実施例によって製造したものの断面の一例である。一方，比較例によって製造したものは，前述したように，断面形状が図１４に示すような形状に改質されたものが含まれていた。隙間２７（図４参照）の存在によって，中央部分に電流が流れにくく，端部に集中して電流が流れた結果，このような形状の改質部が形成されたと考えられる。この例では，中央部における改質厚さＲが小さく，元々の改質チップ２１の厚さとほぼ同等程度しかなかった。つまり，中央部では，電磁鋼板のＦｅを非磁性箇所３７に取り込むことができていない。

この実験の結果から，図１１に示すように，本実施例によって製造したものはいずれも，改質率が６０％を超えた良好なものであった。一方，比較例によって製造したものでは図１４に示すようなものが混じったため，改質率のバラツキが大きいものとなった。また中には，図１１中に一点鎖線で囲んで示したように，製品として好ましくない範囲のものもできてしまった。従って，本実施例の製造方法によれば，安定して良好な改質ができることが確認できた。

以上詳細に説明したように本形態の製造方法によれば，凹溝１２Ａ，１２Ｂを形成した鋼板１１Ａ，１１Ｂを向かい合わせ，その間に改質チップ２１を挟んで通電加熱する。さらに，通電のための電極２９Ａ，２９Ｂのうち，下側の鋼板１１Ｂの下部に配置するものを，鋼板１１Ｂの周囲を支える支持部材２５の上面よりやや高い位置まで押し上げている。従って，凹溝１２Ｂと改質チップ２１との間に隙間２７ができていたとしても，鋼板１１Ｂの下面が押し上げられ，鋼板１１Ｂと改質チップ２１とが確実に接触する。これにより，特に精密な加工をすることなく，通電加熱によって確実に加熱して，所望の非磁性箇所を形成することができる製造方法となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
ここでは２枚の鋼板の間に非磁性箇所を形成するものとして説明したが，改質チップと同形の貫通穴が形成された鋼板をさらに間に挟み，３枚以上の鋼板の組合せとしてもよい。また，鋼板の形状や厚さ，改質チップの形状や厚さ，電極を持ち上げる高さ等はいずれも，上記のものに限らず適切に調整可能なものである。また，図では上側の鋼板１１Ａは，平らのままとして示したが，下側の鋼板１１Ｂに倣って反った形状となっていても構わない。

１１Ａ，１１Ｂ 鋼板
１２Ａ，１２Ｂ 凹溝
２１ 改質チップ
２５ 支持部材
２９Ａ，２９Ｂ 電極
３７ 非磁性箇所

Claims (3)

1. ２枚の電磁鋼板に改質物質を挟みこみ，改質物質をその周囲の鋼とともに溶融させて部分的にオーステナイト相を生成させることによる，非磁性箇所を有する鋼板の製造方法において，
   前記２枚の電磁鋼板として，それぞれに凹溝が形成されているものを用い，
   前記２枚の電磁鋼板を，前記凹溝同士を対面させて重ね合わせるとともに，前記凹溝同士が向き合ってできる空間に前記改質物質を挟む工程と，
   前記２枚の電磁鋼板のうちの一方における前記改質物質が挿入されている箇所を，前記改質物質の方に向かって凸となるように湾曲させる工程と，
   前記改質物質が挿入されている箇所で，前記２枚の電磁鋼板および前記改質物質に電流を印加する工程とを有することを特徴とする非磁性箇所を有する鋼板の製造方法。
2. 請求項１に記載の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法において，
   前記２枚の電磁鋼板のうちの下側に配置されている方を，前記改質物質が挿入されている箇所以外の箇所で支持するとともに，前記改質物質が挿入されている箇所に電極を当てて押し上げることによって前記電磁鋼板を湾曲させることを特徴とする非磁性箇所を有する鋼板の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の非磁性箇所を有する鋼板の製造方法において，
   前記２枚の電磁鋼板のうちの上側に配置されている方に形成されている前記凹溝の平面形状が，前記２枚の電磁鋼板のうちの下側に配置されている方に形成されている前記凹溝の平面形状より大きいことを特徴とする非磁性箇所を有する鋼板の製造方法。

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