JP2013076160A - 打抜き性に優れるｉｐｍモータのロータ鉄心用鋼板、その製造方法、ｉｐｍモータのロータ鉄心及びｉｐｍモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＭモータのロータ鉄心として用いるときにＩＰＭモータのリラクタンストルクの低下を招くことなく、高強度化を図ることが可能で、打抜き性にも優れるロータ鉄心用鋼板を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０６超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼入れライン又は連続焼鈍ラインにてＡｃ_３−１０℃以上に加熱後、Ｍｓ点以下まで２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、２００〜４５０℃の温度域に２０ｓ以上保持することにより、降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ降伏比が８５％以上であり、磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上である打抜き性に優れるロータ鉄心用鋼板を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、工作機械などに主に使用される永久磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）のロータ鉄心用鋼板、その製造方法、ＩＰＭモータのロータ鉄心及びＩＰＭモータに関する。

一般に、ＩＰＭモータは、誘導電動機モータと比べ、高価な永久磁石を使用するため、コストは高くなるものの、高効率であり、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータや発電用モータ、さらには各種工作機械用のモータとして広く使用されてきている。

ＩＰＭモータの鉄心は、ステータ（固定子）とロータ（回転子）とに分けられるが、ステータ側には巻線を通じて、交流磁界が直接付与されるため、高効率化のためには、鉄心には高透磁率であることが求められるとともに、体積抵抗率を高めて、鉄損を低減する必要があった。そのため、ステータ用の鉄心には、極低炭素鋼にＳｉやＡｌを添加して軟磁気特性を改善した電磁鋼板が用いられている。

一方、ロータには、永久磁石が埋め込まれ、鉄心は主にヨークとして磁束密度を高める役割を担っており、ステータ側から発生する僅かな交流磁界の影響は受けるもののその影響は限定的である。しかし、ステータのみに電磁鋼板を使用すると、電磁鋼板の製品歩留りが低下してモータの製造コストが高くなることもあって、通常はステータ側と全く同じ電磁鋼板を素材として用いていた。

一般に、自動車駆動用のＩＰＭモータでは、高速回転化による体格の小型化が推進されているが、ロータには永久磁石が埋め込まれているため、回転速度が速くなり過ぎると、永久磁石に働く遠心力によってロータの突極部近傍が変形してステータと接触し、最終的にはモータの破損に至る。

回転速度の限界は、ロータ用鉄心の板厚や形状が同一の場合には、ロータ用鉄心の降伏強度に依存する。例えば、３質量％程度のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板（３５Ａ３００）の場合、磁性焼鈍後の降伏強度は約４００Ｎ／ｍｍ^２程度であり、現状ではせいぜい１５０００ｒｐｍ程度までが回転速度の限界と考えられている。これまでも、電磁鋼板をベースに鉄心の降伏強度を高くする検討が種々行われている。

例えば、特許文献１には、磁気特性及び耐変形性の優れた電磁鋼板及びその製造方法が開示されている。また、特許文献２には、鉄損特性の内、ヒステリシス損よりも渦電流損の改善に着目し、高強度化との両立を図った鋼板及びその製造方法が開示されている。特許文献２に開示される製造方法は、Ｃを通常の電磁鋼板よりも高め、連続焼鈍設備にて変態強化することを特徴とする。また、特許文献３には、Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％〜３．０質量％、Ｍｎ：０．２質量％〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜４．９５質量％を、Ｓｉ＋Ａｌ：５．０質量％以下なる条件で含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷延し、連続焼鈍ライン又は連続焼入れラインにて７５０℃以上に加熱後、４５０℃以下まで１０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、その後２００〜５００℃の温度域に１２０秒以上保持するＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法が開示されている。

特開２００５−１３３１７５号公報 特開２００５−６０８１１号公報 特開２００９−４６７３８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、軟磁気特性の改善に力を注いでいるため、十分な強度を確保することができない。また、特許文献２に開示される方法では、焼入れままではヒステリシス損が大きくなり過ぎて交流磁界を付与しても十分に励磁することができず、磁束密度が低くなる。そのため、ＩＰＭモータのリラクタンストルクが低下してモータ効率が低下する。なお、特許文献２の図２において、焼入れままの電磁鋼板は、同じ体積抵抗率の従来技術による電磁鋼板よりも渦電流損が低い値となっているが、これは、同じ条件で励磁しても、磁壁の移動が磁界の変化に追随できず、磁界の変化幅が見かけ上小さくなったためと考えられる。すなわち、特許文献２に開示される電磁鋼板では、鋼中の転位密度が非常に高く、しかも複雑に絡み合っているために、励磁しても磁壁の移動が磁界の変化に追随できず、結果的に磁束密度の値が低くなっている。また、特許文献３では、高強度かつ高磁束密度の鋼帯を得ることが可能であるが、適正製造条件について詳細な検討を行った結果、特許文献３で規定した製造条件範囲内であってもある条件範囲を外れると降伏比が低くなり、これに伴い打ち抜き端面のダレが大きくなる場合があることがわかった。そのため、特許文献３で得られる鋼板を積層してロータを作製すると、ロータの側面の形状が平滑でなくなることに起因して、ロータとステータとの間のギャップのばらつきが大きくなり、高速回転時の振動の増大やモータ性能の劣化を生じる可能性があった。

従って、本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＩＰＭモータのロータ用鉄心として用いるときにＩＰＭモータのリラクタンストルクの低下を招くことなく、高強度化によるスムーズな高速回転が可能な打抜き性に優れるロータ鉄心用鋼板を提供することを目的とする。
また、本発明は、そのようなＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法、ＩＰＭモータのロータ鉄心及びＩＰＭモータを提供することも目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく、高速回転に耐え得る高強度化を図ると同時に、磁気特性の劣化を最小限に抑制してモータのリラクタンストルクを最大限に有効活用する方策を探索した。そして、本発明者らは、鋼材の成分組成、金属組織の調整法等を鋭意検討した結果、特定の成分組成とした上で、焼入れ条件を厳密に制御することにより、高強度で、優れた打抜き性及びリラクタンストルクを確保するための高磁束密度の鋼板が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験による降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ降伏比が８５％以上であり、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板及び前記成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼入れライン又は連続焼鈍ラインにて、下記（１）式で定義されるＡｃ_３変態温度を基準として、Ａｃ_３−１０℃以上に加熱後、下記（２）式で定義されるＭｓ点以下まで２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、２００〜５００℃の温度域に２０秒以上保持して得られ、引張試験による降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ降伏比が８５％以上であり、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上であることを特徴とする打抜き性に優れるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法である。
Ａｃ_３＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ−３０×Ｍｎ−１１×Ｃｒ＋３１．５×Ｍｏ＋１０４×Ｖ・・・（１）
Ｍｓ＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×Ｖ−２０×Ｃｒ−１０×Ｍｏ＋３０×Ａｌ・・・（２）

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、金属組織が、マルテンサイト単相、ベイナイト単相、マルテンサイトとベイナイトとの混合組織、又はこれらの組織に加えて１０％未満のフェライトを有する複合組織であることが望ましい。

また、本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、形状確保の観点から、２００〜５００℃での保持と同時、またはその後、同温度域まで再加熱してプレステンパー処理又はテンションアニーリング処理を施すことが望ましい。また、ロータ鉄心での鉄損低減の観点から、鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁被膜が形成されていることが好ましい。

上述のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、上述の成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼鈍ラインにてＡｃ_３−１０℃以上に加熱後、Ｍｓ点以下まで２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、一旦室温まで冷却した後、オフラインにて２００〜５００℃の温度域で２０秒以上保持することによっても製造可能である。

本発明によれば、強度、磁気特性及び打抜き性の優れるロータ鉄心用鋼板を提供することができる。この鋼板をＩＰＭモータのロータ鉄心として用いることにより、ＩＰＭモータのリラクタンストルクの低下を招くことなく、高強度で高速回転可能なＩＰＭモータのロータが得られる。

実施例で作製したロータの正面図である。 実施例で作製したロータの部分拡大図である。

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、引張試験による降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ降伏比が８５％以上であり、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上であることを特徴とするものである。鋼材の成分には、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分が、合計で０．０１質量％〜０．２０質量％含有されてもよく、また、Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分が含有されてもよい。

鋼材の成分組成を限定した理由は以下の通りである。
＜Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下＞
７８０Ｎ以上の降伏強度を得るためには、０．０６質量％を超えるＣを含有させる必要がある。しかし、０．９０質量％を超えて含有させると、磁束密度が低くなる。

＜Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％＞
Ｓｉは、高強度化に有効である上に、体積抵抗率を高め、渦電流損を小さくするのに有効な元素であるが、本発明では添加しなくてもよい。渦電流損の抑制や高強度化の効果を得ようとするためには、０．０１質量％以上含有させる必要がある。しかし、３．０質量％を超えて含有させると、鋼板の靭性が劣化するとともに、かえって磁束密度の低下を招く。

＜Ｍｎ：０．０５質量％〜２．５質量％＞
Ｍｎは、高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、０．０５質量％以上の含有させることが必要である。しかし、２．５質量％を超えて含有させると、強度の向上効果は飽和するとともに、かえって磁束密度の低下を招く。

＜Ｐ：０．０５質量％以下＞
Ｐは、高強度化に有効な元素であるが、鋼の靭性を著しく低下させる。０．０５質量％までは許容できるため、上限を０．０５質量％とする。
＜Ｓ：０．０２質量％以下＞
Ｓは、高温脆化を引き起こす元素であり、大量に含有させると、熱間圧延時に表面欠陥を生じ、表面品質を劣化させる。したがって、できるだけ低減することが望まれる。０．０２質量％までは許容できるため、上限を０．０２質量％とする。

＜酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜３．０質量％、Ｓｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下＞
Ａｌは脱酸剤として添加されるほか、Ｓｉと同様に鋼の体積抵抗率を上昇させるのに有効な元素である。その効果を発揮するためには、０．００５質量％以上の酸可溶Ａｌを含有させることが必要である。しかしＳｉとの合計で３．１質量％を越えて含有させると磁束密度の低下が大きくなり、モータの性能が劣化する。

＜Ｔｉ、Ｎｂ及びＶの１種以上：０．０１質量％〜０．２０質量％＞
Ｔｉ、Ｎｂ及びＶは、鋼中で炭窒化物を形成し、析出強化による高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、１種又は２種以上を合計で、０．０１質量％以上の添加が必要である。しかし、０．２０質量％を超えて添加しても、析出物の粗大化により強度上昇は飽和するとともに、製造コストの増大を招く。

＜Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％の１種以上＞
Ｍｏ、Ｃｒ及びＢは、鋼の焼入れ性を高め、高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、Ｍｏ、Ｃｒ及びＢの１種以上を、それぞれ設定した下限値以上添加することが必要である。しかし、それぞれ設定した上限値を超えて添加してもその効果は飽和するととともに製造コストの増加を招く。なお、１種だけの添加でも２種以上の添加でもその効果は認められるが、２種以上を添加する場合は、それぞれ設定した上限値の１／２を超える量を添加すると、その効果に比して製造コストの上昇が大きくなるので、１／２以下の量で添加することが望ましい。

機械的特性を限定した理由は以下の通りである。
＜降伏強度：７８０Ｎ／ｍｍ^２以上＞
１５０００ｒｐｍを超える超高速回転における遠心力でのロータの変形を抑制するため、鋼板の降伏強度は７８０Ｎ／ｍｍ^２以上とした。なお、本発明における降伏強度は、ＪＩＳ５号引張試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した引張試験方法により測定されるものである。
＜降伏比：８５％以上＞
打抜き時のダレの発生を抑制して打ち抜き端面形状を良好に保つため、鋼板の降伏比は８５％以上とした。

磁気特性を限定した理由は以下の通りである。
＜磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００：１．６５Ｔ以上＞
ロータ鉄心に用いられる鋼板は、主にヨークの役割を果たすとともに、ロータとして高速回転する際に磁石を挿入した位置（ｄ軸）と挿入していない位置（ｑ軸）でのインダクタンスの値の差に基づくリラクタンストルクを有効に活用し、とくに高速回転領域において従来の鋼板と同等以上のトルク性能を発揮するためには、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度が１．６５Ｔ以上であることが必要である。

上述した通り、本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、高速回転に耐え得る高強度及び高いリラクタンストルクを得るための高磁束密度を有しているにも関わらず、良好な打ち抜き性も有している。このようなＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、鋼板の成分組成を調整するだけでは得られず、マルテンサイト変態やベイナイト変態によって高強度化を図る際に、特定の熱処理を施すことによって得ることができる。以下に、製造条件の詳細について説明する。

＜熱間圧延・冷間圧延条件＞
熱間圧延・冷間圧延条件は、とくに規定する必要は無く、通常の方法に従い実施すればよいが、熱間圧延の仕上げ温度は、γ単相域で実施することが望ましい。また、巻取り温度は高温になり過ぎると酸化スケールが厚くなり、その後の酸洗性を阻害するため、７００℃以下とすることが望ましい。

＜焼鈍加熱温度：Ａｃ_３−１０℃以上＞
連続熱処理により高強度化を図る場合、加熱温度がＡｃ_３−１０℃未満ではオーステナイト化が不十分で、十分な強度及び降伏比が得られない。従って、Ａｃ_３−１０℃以上の温度に加熱することが必要である。なお、Ａｃ_３点は、下記（１）式で計算される。
Ａｃ_３＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ−３０×Ｍｎ−１１×Ｃｒ＋３１．５×Ｍｏ＋１０４×Ｖ・・・（１）

＜冷却条件：Ｍｓ点以下まで平均冷却速度２０℃／ｓ以上で冷却、２００〜５００℃に２０秒以上保持＞
冷却速度が２０℃／ｓ未満の場合あるいは冷却終了温度がＭｓ点より高い場合、冷却途中でフェライト変態を生じ、マルテンサイトやベイナイトの硬質相の体積率が小さくなるため十分な強度が得られない。また、冷却後の保持温度が２００℃未満又は保持時間が２０秒未満では、焼戻しによる靭性の回復が不十分である。一方、冷却後の保持温度が５００℃を超えると軟質化し、十分な降伏強度と降伏比が得られなくなる。なお、Ｍｓ点は、下記（２）式で計算される。
Ｍｓ＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×Ｖ−２０×Ｃｒ−１０×Ｍｏ＋３０×Ａｌ・・・（２）

なお、冷却後の２００〜５００℃における加熱保持は、これに先立つ冷却処理に引続き連続的に実施しても、一旦室温まで冷却後、再加熱処理しても構わないが、連続的に実施したほうが生産性の点から望ましい。また、２００〜５００℃に加熱保持しつつ、プレステンパー処理やテンションアニーリング処理を同時にまたはオフラインにて施せば、打抜き性と同時に平坦度にも優れる鋼帯を得ることができるので望ましい。

＜プレステンパー処理＞
焼入れままの鋼板に、焼戻し温度域でプレステンパー処理を施すことにより、焼戻しによる靭性の回復と同時に焼入れ歪や残留応力も回復し、鋼板の平坦度を改善することが可能となる。加熱温度が２００℃未満では、良好な平坦度が得られず、一方、５００℃を超えると、前述の通り軟質化し、十分な強度が得られなくなる。なお、プレステンパーの圧力は、鋼板の形状が平坦に保たれる程度であれば、特別に大きくする必要は無く、例えば、板厚が１．０ｍｍ以下の薄鋼板の場合、１ｋｇ／ｃｍ^２程度の圧力でも十分である。

＜テンションアニーリング処理＞
前記のプレステンパー処理と同様に、焼入れままの鋼板に、焼戻し温度域でテンションアニーリング処理を施すことにより、焼戻しによる靭性の回復と同時に焼入れ歪や残留応力も回復し、鋼板の平坦度を改善することが可能となる。加熱温度が２００℃未満では、良好な平坦度が得られず、５００℃を超えると、前述の通り軟質化し、十分な強度が得られなくなる。また、テンションアニーリングの引張張力は、鋼板の形状が平坦に保たれる程度であれば、特別に大きくする必要は無く、１Ｎ／ｍｍ^２以上の張力でも十分にその効果が得られる。しかし、２００Ｎ／ｍｍ^２を超える張力を付与すると、炉内での板切断が生じる場合があり、上限を２００Ｎ／ｍｍ^２にすることが望ましい。

＜金属組織＞
上述した成分組成の調整及び特定の熱処理により得られた鋼板の金属組織は、マルテンサイト単相であるか、ベイナイト単相であるか、マルテンサイトとベイナイトとの混合組織であるか、又はこれらの組織に加えて１０％未満のフェライトを有する複合組織であることが望ましい。マルテンサイト相やベイナイト相のように転位密度が高い金属組織において、焼戻しにより微細な炭化物を析出させると、転位との相互作用により８５％以上の高い降伏比が得られることがわかった。また、フェライトとの混合組織とする場合には、フェライトの体積率が１０％未満であれば８５％以上の高い降伏比が得られ、打抜き性を良好にできることがわかった。

＜絶縁皮膜の形成＞
本発明では、ロータに発生する渦電流損の低減を目的として、鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜及び有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を形成することが好ましい。無機材料からなる絶縁皮膜の例としては、六価クロムのような有害物質を含まず、リン酸二水素アルミニウムを含有する無機質系水溶液が挙げられるが、良好な絶縁が得られれば、有機材料からなる絶縁皮膜または有機・無機複合材料からなる絶縁皮膜を用いてもよい。絶縁被膜は、上記で例示した材料を鋼板の表面に塗布することにより形成することができる。

本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板を所定の形状に打抜いて打抜き片とし、これを複数枚積層させることにより、ＩＰＭモータのロータ鉄心を得ることができる。このロータ鉄心に設けられた磁石埋め込み用の収容孔に永久磁石を埋め込むことで、ＩＰＭモータ用のロータを得ることができる。本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、極めて高強度であるために、永久磁石間のセンターブリッジを省略しても、高速回転に耐え得るロータ強度を確保することができる。このようにセンターブリッジを省略することで、永久磁石からの漏れ磁束を抑止することができるので、トルク性能の向上したＩＰＭモータとすることができる。結果として、ＩＰＭモータの更なる小型化や永久磁石の小型化が期待できる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
表１に示す成分組成を有する鋼を溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、８５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、冷間圧延して板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼板を得た。
得られた冷間圧延鋼板を、９００℃まで加熱し、２５０℃に設定したＰｂ−Ｂｉ合金浴中へ通板して、１００℃／ｓの平均冷却速度で２５０℃まで冷却し、引き続き４００℃に設定した電気炉中に６０秒保持しつつ、プレステンパー処理を施した。また、その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。

得られた鋼帯からＪＩＳ５号試験片を切り出し、引張試験に供した。また、内径３３ｍｍ及び外形４５ｍｍのリング状の試験片を打抜きにより作製し、磁化測定に供した。打抜きは、クリアランス：５％の条件で行い、打抜き端面のダレが板厚の１０％以内であったものを打抜き性良好（○）、１０％を超えるものを打抜き性不良（×）として打抜き性を評価した。さらに、幅１０ｍｍの短冊状のサンプルを圧延方向と平行な方向から切出し、先端ｒ０．５ｍｍの９０°曲げ試験に供した。曲げ試験において、割れが発生しなかったものを曲げ性良好（○）、割れが発生したものを曲げ性不良（×）として曲げ性を評価した。金属組織は、圧延方向の板厚断面を２％ナイタール試薬（２％硝酸・エチルアルコール溶液）にてエッチングを施し、走査型電子顕微鏡を用いた観察により、その組織形態から、マルテンサイト、ベイナイト、フェライト、パーライト等の組織に分類した。マルテンサイトの面積率は、倍率１０００倍、１０視野での画像解析により求めた。
各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、曲げ性、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ_８０００）、金属組織及び打抜き性を表２に示した。

表２の結果から明らかなように、Ｃ含有量の少ないＮｏ．１鋼では、降伏強さが低くなった。また、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ及び酸可溶ＡｌやＳｉ＋Ａｌの添加量が本発明の範囲を超えるＮｏ．１２、１３及びＮｏ．１５〜１７鋼では、Ｂ_８０００が１．６５Ｔ未満となっていた。
Ｓｉ及びＰの添加量が本発明の範囲を超えるＮｏ．１４及び１５鋼では、曲げ性に劣っておりロータ形状への加工が困難となることがわかった。また、加熱温度がＡｃ_３−１０℃未満であるＮｏ．１５及び１７鋼では、抜き打ち性が不良となり、打抜き端面のダレが大きくなることがわかる。
一方、本発明の範囲を満足する成分組成を有し、本発明の範囲の熱処理を施したものに関しては、高強度かつ高磁束密度を有するとともに打抜き性にも優れており、機械的強度が要求される高速回転ＩＰＭモータのロータ用鋼板として好適である。

＜実施例２＞
表１に示した成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．４及び１８について、実施例１と同様に連鋳片を１２５０℃に加熱し、８５０℃で仕上げ圧延して５６０℃で巻取り、板厚１．８ｍｍの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板を酸洗した後、冷間圧延して板厚０．３０ｍｍの冷間圧延鋼板を得た。
得られた冷間圧延鋼板を連続焼鈍ラインにて８８０℃まで加熱し、ガスジェット方式の冷却にて５℃／ｓ、２０℃／ｓ又は５０℃／ｓの平均冷却速度で３５０℃まで冷却し、引き続き４００℃に設定した炉中に１８０秒以上保持した後、室温まで冷却した。また、その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。

各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、曲げ性、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ_８０００）、金属組織及び打抜き性を実施例１と同様にして評価した。結果を表３に示した。

表３の結果から明らかなように、冷却速度が本発明の範囲よりも遅いと、マルテンサイト変態やベイナイト変態が十分ではなく、降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２よりも低く十分な強度が得られない上に、場合によっては打抜き性が不良となる。

＜実施例３＞
表１に示す成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．４及び５について、実施例１と同様にして得られた熱間圧延鋼板を酸洗した後、冷間圧延して板厚０．３０ｍｍの冷間圧延鋼板を得た。
得られた冷間圧延鋼板を連続焼鈍ラインにて加熱温度３水準（７５０℃、８００℃及び８５０℃）、冷却到達温度３水準（２５０℃、４００℃及び４５０℃）に変化させ、冷却速度が４０℃／ｓとなるように冷却を施し、引き続き４００℃に設定した炉中に１８０秒以上保持した後、室温まで冷却した。また、その後、Ｃｒ系酸化物及びＭｇ系酸化物を含有する半有機組成の約１μｍの厚さの絶縁皮膜を鋼板の両面に形成した。

各サンプルの降伏強さ、引張強さ、降伏比（ＹＲ）、曲げ性、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度（Ｂ_８０００）、金属組織及び打抜き性を実施例１と同様にして評価した。結果を表４に示した。

表４のＮｏ．４鋼の特性一覧から判るように、加熱温度が（１）式で計算されるＡｃ３温度（７９６℃）よりも低い７５０℃加熱の場合、オーステナイト化が不十分でフェライトの体積率が大きくなるため、降伏強度および降伏比が低くなる。そのため、良好な打抜き性が得られない。また、加熱温度が（１）式で計算されるＡｃ_３温度（７９６℃）よりも高い場合においても、冷却到達温度が（２）式で計算されるＭｓ温度（４３７℃）よりも高い４５０℃では、フェライトの体積率が高くなることに起因して降伏強度及び降伏比が低くなり、良好な打抜き性が得られない。

さらに、Ｎｏ．５鋼のような比較的Ｃ含有量が多い場合において、冷却到達温度が（２）式で計算されるＭｓ温度（４３７℃）よりも高い４００℃および４５０℃では金属組織がパーライト組織となることに起因して降伏強度及び降伏比が低くなり、良好な打抜き性が得られない。

以上の結果から、特許文献３で規定した製造条件範囲内であっても、条件次第では良好な金属組織が得られず、（１）や（２）式によって鋼成分毎に計算される変態点を考慮した熱処理条件に限定しない場合、目標とする特性が得られなくなる場合がある。本発明で規定した熱処理条件を施し、降伏比が８５％以上とすることによってはじめて、打抜き性に優れるＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板が得られることがわかる。

＜ＩＰＭモータとしての評価＞
Ｎｏ．４鋼、Ｎｏ．５鋼及びＮｏ．１６鋼について、図１及び２に示す８極（４極対）構造のロータを打抜き加工により作製し、負荷トルクを付与したモータ性能評価試験に供した。また、ステータは１ヶのみ製造し、製造したロータを組替えてモータとしての性能評価に供した。モータの最大出力はいずれも４．５ｋＷである。この性能評価では、１００００ｒｐｍ以上で弱め界磁制御を行った。
なお、市販の電磁鋼板（３５Ａ３００、板厚：０．３５ｍｍ）について、本発明の素材鋼板と同様の方法による機械的特性及び磁気的特性を評価したところ、降伏強さが３８１Ｎ／ｍｍ^２であり、引張強さが５１１Ｎ／ｍｍ^２であり、飽和磁束密度Ｂ_８０００が１．７６Ｔであり、保磁力が７５Ａ／ｍであった。

作製したロータ及びステータの仕様は以下の通りである。
◎ロータの仕様
外径：８０．１ｍｍ、軸長５０ｍｍ
・積層枚数：０．３５ｍｍ／１４０枚
・センターブリッヂ、アウターブリッヂの幅：１．００ｍｍ
・永久磁石：ネオジム磁石（ＮＥＯＭＡＸ-３８ＶＨ）、９．０ｍｍ幅×３．０ｍｍ厚×５０ｍｍ長さ、合計１６ヶ埋め込み
◎ステータの仕様
・ギャップ長：０．５ｍｍ
・外径：１３８．０ｍｍ、ヨーク厚：１０ｍｍ、長さ：５０ｍｍ
・鉄心素材：電磁鋼板（３５Ａ３００）、板厚０．３５ｍｍ
・積層枚数：１４０枚
・巻線方式：分布巻き

それぞれのロータを組み込んだＩＰＭモータの７５００ｒｐｍ及び１５０００ｒｐｍにおける最大トルク及び効率を表５に示した。

表５の結果から明らかなように、降伏比が８５％未満で打抜き性に劣るＮｏ．４鋼では打抜きによるダレが大きくロータ積層後のギャップ面の凹凸が大きいため、高速回転域におけるトルクの低下が生じた。また、磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ未満のＮｏ．１６鋼では十分なマグネットトルクが得られないため、本発明例である降伏比が８５％以上のＮｏ．４鋼及びＮｏ．５鋼と比較して約５〜１０％低いトルク及び効率しか得られなかった。

１ ロータ、１０ ロータ鉄心、１１ 永久磁石挿入孔、１１ａ，１１ｂ 第１及び第２挿入孔、１１ｃ ブリッヂ、１２ 永久磁石。

Claims (11)

1. Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼入れライン又は連続焼鈍ラインにて、下記（１）式で定義されるＡｃ_３変態温度を基準として、Ａｃ_３−１０℃以上に加熱後、下記（２）式で定義されるＭｓ点以下まで２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、２００〜５００℃の温度域に２０秒以上保持して得られ、引張試験による降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ降伏比が８５％以上であり、磁界の強さが８０００Ａ／ｍのときの磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上であることを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
   Ａｃ_３＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ−３０×Ｍｎ−１１×Ｃｒ＋３１．５×Ｍｏ＋１０４×Ｖ・・・（１）
   Ｍｓ＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×Ｖ−２０×Ｃｒ−１０×Ｍｏ＋３０×Ａｌ・・・（２）
2. Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分を合計して０．０１質量％〜０．２０質量％さらに含有することを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
3. Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
4. 金属組織が、マルテンサイト単相、ベイナイト単相、マルテンサイトとベイナイトとの混合組織、又はこれらの組織に加えて１０％未満のフェライトを有する複合組織であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
5. 鋼板の少なくとも片方の表面に、有機材料からなる絶縁皮膜、無機材料からなる絶縁皮膜又は有機・無機複合材料からなる絶縁被膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
6. Ｃ：０．０６質量％超〜０．９０質量％以下、Ｓｉ：０質量％〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５質量％〜２．５質量％、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．０２質量％以下、酸可溶Ａｌ：０．００５質量％〜３．０質量％かつＳｉ＋Ａｌ：３．１質量％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する熱間圧延鋼板を冷間圧延し、連続焼入れライン又は連続焼鈍ラインにて、下記（１）式で定義されるＡｃ_３変態温度を基準として、Ａｃ_３−１０℃以上に加熱後、下記（２）式で定義されるＭｓ点以下まで２０℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、２００〜５００℃の温度域に２０秒以上保持することを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
   Ａｃ_３＝９１０−２０３×√Ｃ＋４４．７×Ｓｉ−３０×Ｍｎ−１１×Ｃｒ＋３１．５×Ｍｏ＋１０４×Ｖ・・・（１）
   Ｍｓ＝５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ−３５×Ｖ−２０×Ｃｒ−１０×Ｍｏ＋３０×Ａｌ・・・（２）
7. 熱間圧延鋼板が、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択される１種以上の成分を合計して０．０１質量％〜０．２０質量％さらに含有することを特徴とする請求項６に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
8. 熱間圧延鋼板が、Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％からなる群から選択される１種以上の成分をさらに含有することを特徴とする請求項６又は７に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
9. ２００〜５００℃の温度域に保持した状態でプレステンパー処理若しくはテンションアニーリング処理を施すか、又は熱処理終了後、オフラインにて２００〜５００℃に再加熱して、プレステンパー処理若しくはテンションアニーリング処理を施すことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
10. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の打抜き片を積層させたことを特徴とするＩＰＭモータのロータ鉄心。
11. 請求項１０に記載のロータ鉄心に永久磁石を埋め込んでなるロータを備えることを特徴とするＩＰＭモータ。

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