JP2013076161A - 高速回転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、高速回転に対応可能な高い降伏強度及び高い比例限を有するロータ鉄心用鋼板を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０３〜０．９０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：０．００５〜０．２０質量％、Ｎ：０．００１〜０．０２０質量％、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、冷間圧延により最終圧延率を１０％以上とした後、２００〜５００℃の温度域に加熱することにより、降伏強度が７８０Ｎ／ｍｍ^２以上かつ比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２以上であり、磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ以上である高速回転ＩＰＭモータの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１回又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して所定の板厚とし、その後、２００〜５００℃の温度まで加熱する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、高降伏強度かつ高磁束密度の鋼帯を得ることが可能であるが、特許文献３をベースにして詳細な検討を行った結果、実際の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心としては、単なる降伏強度では無く、比例限を高くすることがロータの変形を抑制してより高速回転化に有効であるが、特許文献３で得られる鋼板では、Ｎ含有量が少なくなると十分に高い比例限が得られない場合があることがわかった。

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、高速回転に対応可能な高い降伏強度及び高い比例限を有す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及び高比例限化を図ると同時に、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、冷間圧延による加工強化によって高強度化を図る際の条件を制御することにより、高強度かつ高比例限の鋼板が得られ、高速回転による変形が抑制されるとともに、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：０．０３質量％〜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％〜０．１質量％、Ｎ：０．００１質量％〜０．０２０質量％、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以上かつ比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２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高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板である。

また、本発明のＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板は、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。なお、絶縁皮膜の形成は、加熱処理の前後のいずれで行ってもその効果は変わらない。

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、１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延で最終圧延率を１０％以上とした後、２５０〜４５０℃の温度まで加熱することにより製造される。

高磁束密度の鋼板を得る観点から、冷間圧延前の金属組織が、強磁性体であるフェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される１種以上からなるとともに、必要に応じてＦｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物を含有することが望ましい。

本発明によれば、高降伏強度及び高比例限を有し、磁気特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：０．０３質量％〜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％〜０．１質量％、Ｎ：０．００１質量％〜０．０２０質量％、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以上かつ比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２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％〜０．１０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％、Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５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：０．０３質量％〜０．９０質量％以下＞
Ｃは、鋼中に固溶またはセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）として析出し、高強度化に有効な元素である。７８０Ｎ以上の降伏強度を得るためには、０．０３質量％以上の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％〜０．１０質量％＞
Ａｌは、脱酸剤として添加されるものであり、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、０．１０質量％を超えて含有させると、ＡｌＮとして固溶Ｎが固定され、Ｎ添加による比例限の向上効果が得られなくなる。

＜Ｎ：０．００１質量％〜０．０２０質量％＞
Ｎは、冷間圧延によって導入された可動転位をその後の加熱処理によって固着し、比例限を向上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、０．００１質量％以上含有させることが必要である。しかし、０．０２０質量％を超えて含有させると溶解・凝固時に固溶できなかったＮ_２ガスが溶鋼中に気泡を生成し、鋼中に含有させることが著しく困難になる。

＜Ｔｉ、Ｎｂ及びＶの１種以上：０．０１質量％〜０．１０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、０．１０質量％を超えて添加すると、窒化物として固溶Ｎが固定されＮ添加による比例限の向上効果が得られなくなる。

＜Ｍｏ：０．１質量％〜０．６質量％、Ｃｒ：０．１質量％〜１．０質量％、Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５質量％〜１．０質量％及びＢ：０．０００５質量％〜０．００５質量％の１種以上＞
Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ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、Ｃｕ、Ｎｉ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。また、Ｃｕは鋼中に析出して比例限や降伏強度の上昇に有効に作用する。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。

＜比例限：６００Ｎ／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には、前記降伏強度だけでは必ずしも十分ではなく、比例限も高くする必要がある。ロータ鉄心の磁石を保持しているブリッジ部に比例限を超える応力が加わると塑性変形が生じステータと接触を生じる可能性がある。これを避けるためには、降伏強度を７８０Ｎ／ｍｍ^２にすると同時に比例限を６００Ｎ／ｍｍ^２以上にする必要がある。なお、本発明における比例限は、降伏強度と同様に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（ＹＲ）：９０％以上＞
本発明では、降伏比（ＹＲ）は特に規定しないが、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には、鋼板の降伏比を９０％以上とすることが望ましい。

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い降伏強度及び高い比例限を有し、かつ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。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、冷間圧延による加工強化によって高強度化を図る際の条件を制御することにより、冷間圧延によって導入された転位の再配列が生じるとともに、固溶炭素や固溶窒素による転位の固着が生じた結果であると考えられる。以下に、製造条件の詳細について説明する。

＜熱間圧延条件＞
熱間圧延条件は、特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。

＜金属組織＞
熱間圧延により得られた鋼板（冷間圧延前の鋼板）の金属組織は、高い磁束密度を得るためには、強磁性体であるフェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される１種以上からなるとともに、必要に応じてＦｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物を含有することが望ましい。なお、非磁性であるオーステナイト相が含まれると磁束密度が低下するので、オーステナイトを含まない組織とする。

＜冷間圧延条件＞
得られた熱間圧延鋼板は、焼鈍後に１回の冷間圧延を施してもよいし、中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施してもよいが、高い降伏強度と高い比例限を得るためには、最終圧延率を１０％以上とする必要がある。冷間圧延における好ましい最終圧延率は２５％以上である。

＜加熱処理＞
冷間圧延ままの鋼板に、再結晶温度未満の比較的低温域である２５０〜４５０℃にて加熱処理を施すことにより、冷間圧延によって導入された転位の再配列が生じるとともに、固溶炭素や固溶窒素による転位の固着を生じ、高い降伏強度と高い比例限が得られる。加熱温度が２５０℃未満では、Ｃ及びＮによる時効が十分には生じず、十分な比例限が得られない。一方、加熱温度が４５０℃を超えると、転位の回復の進行に伴って大幅に軟質化し、十分な比例限が得られなくなる。上記温度域における保持時間は、特に規定されるものではなく、１０秒程度の短時間であっても十分に可動転位の固着を生じる。

＜プレステンパー処理＞
冷間圧延ままの鋼板に、再結晶温度未満の比較的低温域でプレステンパー処理を施すことにより、加熱処理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、良好な打抜き性が得られず、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。前述のように、比例限の向上と両立させるためには、２５０〜４５０℃の温度域に加熱することが望ましい。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、冷間圧延ままの鋼板に、再結晶温度未満の比較的低温域でテンションアニーリング処理を施すことにより、加熱処理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、良好な打抜き性が得られず、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。前述のように、比例限の向上と両立させるためには、２５０〜４５０℃の温度域に加熱することが望ましい。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、上限は２００Ｎ／ｍｍ^２にすることが望ましい。

＜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。

＜実施例１＞
表１及び２に示す成分組成を有する鋼を真空溶解し、これらの連鋳片を１２５０℃に加熱し、８３０℃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、一回の冷間圧延にて板厚０．３５ｍｍの冷間圧延鋼帯を得た（最終圧延率：約８１％）。
得られた冷間圧延鋼帯を３５０℃に設定した連続炉に６０秒通板してテンションアニーリング処理（引張張力１００Ｎ／ｍｍ^２）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、冷間圧延前の鋼板の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、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト等の組織に分類した。
各サンプルの降伏強さ、比例限、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３及び４に示した。

表３及び４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７８０Ｎ／ｍｍ^２よりも低くなった。また、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＡｌの添加量が本発明の範囲を超えるＮｏ．１５、２１、２３、２４及び２５鋼では、Ｂ_８０００が１．６５Ｔ未満と低い値を示した。
また、Ｓｉ及びＰの添加量が本発明の範囲を超えるＮｏ．２２及び２３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。
さらに、Ｎ含有量が本発明の範囲より少ないＮｏ．４鋼及びＡｌの添加量が本発明の範囲を超えるＮｏ．１９、２０、２４、２５及び２９では、固溶Ｎ不足のため、比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２未満の低い値を示す。
一方、本発明の範囲を満足する成分組成を有し、本発明の範囲の冷間圧延と熱処理を施したものは、高い降伏強度と高い比例限を有し、かつ高磁束密度を有していることから、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。また、９０％以上の高い降伏比が得られており、打抜き性にも優れている。

＜実施例２＞
表１に示す成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．１０、２７及び３０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、一旦板厚１．０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．４０ｍｍ及び０．３２ｍｍまで冷間圧延後、８００℃で６０秒均熱、平均冷却速度：約１０℃／ｓで５５０℃まで冷却する一次冷却、引続き４００℃まで１８０秒で冷却後室温まで急冷する二次冷却の条件での連続焼鈍を施し、その後、更に、板厚０．３０ｍｍまで冷間圧延を施し、最終圧延率を６．２５％〜７０％まで変化させた。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。

各サンプルの比例限、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）、冷間圧延前の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５に示した。

表５の結果から明らかなように、最終圧延率が本発明の範囲外であると、降伏強度が低くなる上に、場合によっては比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２よりも低くなる。また、降伏比も低くなり良好な打抜き性が得られない。

＜実施例３＞
表１に示す成分組成を有する鋼の内、Ｎｏ．３２鋼について、実施例２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、一旦板厚１．０ｍｍ、０．５０ｍｍ、０．４０ｍｍ及び０．３２ｍｍまで冷間圧延後、表６に示す種々の条件の連続焼鈍を施し、その後、板厚０．３０ｍｍまで冷間圧延を施して最終圧延率を６．２５％〜７０％まで変化させた。連続焼鈍条件を変化させることによって、最終冷間圧延前の金属組織を、フェライト＋パーライト＋Ｔｉ、Ｎｂ系炭窒化物、フェライト＋マルテンサイト＋Ｔｉ、Ｎｂ系炭窒化物及びフェライト＋ベイナイト＋残留オーステナイト＋Ｔｉ、Ｎｂ系炭窒化物の３種類に変化させた。なお、熱処理条件Ｂでは、一旦、一次処理で１５０℃まで冷却後、二次処理では４００℃まで再加熱して、マルテンサイトの焼戻し処理を行ったものである。いずれの処理においても２次処理後は、室温まで急冷した。その後、更に冷間圧延を施し、４００℃まで加熱して１００Ｎ／ｍｍ^２の引張応力を付与するテンションアニーリング処理を施した。絶縁皮膜の形成は実施していない。

各サンプルの比例限、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）、冷間圧延前の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７に示した。

表７の結果より、実施例２でも示したように冷間圧延率が低いと降伏強度が低くなる場合がある他、最終冷間圧延前の金属組織に残留オーステナイトを含むと、冷間圧延後によって加工誘起マルテンサイトを生成しても一部は残留し、その結果として磁束密度が低くなる場合があることがわかる。したがって、最終冷間圧延前の金属組織は、フェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される１種以上からなるとともに、必要に応じてＦｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物を含有し、オーステナイトを含まない方が望ましい。

＜ＩＰＭモータとしての評価＞
Ｎｏ．２４鋼及びＮｏ．２６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８に示した。

表８の結果から明らかなように、磁束密度Ｂ_８０００が１．６５Ｔ未満のＮｏ．２４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Ｎｏ．２６鋼と比較して５％程度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 (12)

1. Ｃ：０．０３質量％〜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％〜０．１質量％、Ｎ：０．００１質量％〜０．０２０質量％、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以上かつ比例限が６００Ｎ／ｍｍ^２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高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
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％〜０．１０質量％さらに含有することを特徴とする請求項１に記載の高速回転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％、Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５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に記載の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
4. 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１〜３のいずれか一項に記載の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
5. 引張試験による降伏比が９０％以上であ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高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板。
6. Ｃ：０．０３質量％〜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％〜０．１質量％、Ｎ：０．００１質量％〜０．０２０質量％、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、１回の冷間圧延又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延で最終圧延率を１０％以上とした後、２５０〜４５０℃の温度まで加熱することを特徴とする高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
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％〜０．１０質量％さらに含有することを特徴とする請求項６に記載の高速回転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％、Ｃｕ：０．０５質量％〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５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に記載の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
9. 冷間圧延前の金属組織が、フェライト、パーライト、ベイナイト及びマルテンサイトからなる群から選択される１種以上からなるとともに、必要に応じてＦｅ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ及びＣｒからなる群から選択される１種以上を含む炭・窒化物を含有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
10. ２５０〜４５０℃の温度まで加熱しつつ、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を特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の高速回転ＩＰＭモータのロータ鉄心用鋼板の製造方法。
11. 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。
12. 請求項１１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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