JP2013159823A - 打ち抜き加工後の鉄損特性に優れるモータコア用鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】打ち抜き加工による鉄損特性の劣化が小さいモータコア用鋼板を提供する。
【解決手段】鋼板の表層部がＳｉ：４〜７ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼板の内層部がＳｉ：５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、前記表層部の平均Ｓｉ量が前記内層部の平均Ｓｉ量よりも０．５ｍａｓｓ％以上高く、全板厚に対する前記表層部の厚さの比である複層比が０．１〜０．７で、前記表層部の伸びが５％以上であるモータコア用鋼板。
【選択図】図１

Description

本発明は、打ち抜き加工による鉄損特性の劣化が小さいモータコア用鋼板に関するものである。

モータコアは、一般に、素材となる電磁鋼板を、モータコアの形状に打ち抜き加工した後、積層し、かしめ法あるいは溶接法により締結し、その後、巻き線を施して、モータケース（ハウジング）に圧入法もしくは焼き嵌め法により固定することにより製造される。そのため、モータコアに用いられる電磁鋼板は、様々な歪を受けることとなり、エプスタイン法等で測定した素材の鉄損特性に比べて、モータコアに組立後の鉄損特性が大きく劣化（増加）することが知られている。

上記モータコアが受ける歪のうち、打ち抜き加工による歪に関してみると、エプスタイン試験に用いられる試験片の幅は３０ｍｍであるが、モータコアのティース部の幅は比較的大きなモータでも５ｍｍ程度、小型のモータでは２ｍｍ程度であることから、打ち抜き加工により受ける歪の影響は大きく、モータコアの鉄損は、エプスタイン試験等で測定した素材の鉄損に比べて約３〜５割程度も増加することとなる。そのため、打ち抜き加工による鉄損特性の劣化が小さい電磁鋼板が求められている。

このような問題点を解決する技術としては、例えば、特許文献１には、Ｓ含有量を０．０１５〜０．０３５ｍａｓｓ％として粗大なＭｎＳを析出させ、打ち抜き加工時の剪断抵抗を減少させることにより、打ち抜き加工歪みを低減し、鉄損特性の劣化を軽減する技術が開示されている。

特開平０８−２４６０５２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、ＭｎＳの析出物の量が多くなるため、打ち抜き加工する前の素材鋼板自体の鉄損特性が大きく劣化してしまうという問題を有している。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、打ち抜き加工による鉄損特性の劣化が小さいモータコア用鋼板を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、打ち抜き加工による鉄損特性の劣化を軽減するには、鋼板表層部のＳｉ量を鋼板内層部より高めると共に、上記鋼板表層部の全板厚に対する比率（複層比）を適正範囲に制御してやることが有効であること、また、上記高Ｓｉ化に伴う打ち抜き加工による割れを防止するためには、鋼板内層部のＳｉ量と鋼板表層部の伸びを適正範囲に制御することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。

上記知見に基く本発明は、鋼板の表層部がＳｉ：４〜７ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼板の内層部がＳｉ：５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、前記表層部の平均Ｓｉ量が前記内層部の平均Ｓｉ量よりも０．５ｍａｓｓ％以上高く、全板厚に対する前記表層部の厚さの比である複層比が０．１〜０．７で、前記表層部の伸びが５％以上であるモータコア用鋼板である。

本発明のモータコア用鋼板における前記表層部および前記内層部は、Ｎｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下および／またはＭｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、打ち抜き加工歪に伴う鉄損特性劣化の小さいモータコア用鋼板を提供することができるので、エアコンのコンプレッサーモータ、ハイブリッド自動車やＥＶ自動車用の駆動モータならびに情報機器用のモータ等、ティース幅が狭いモータの鉄損低減に大きく寄与する。

鋼板表層部のＳｉ量が鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。 鋼板表層部と内層部の複層比が鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。 鋼板表層部と内層部のＳｉ量の差が鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。

まず、本発明を開発する契機となった基礎実験について説明する。
打ち抜き加工による磁気特性の劣化を調査するため、Ｓｉ：４．０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を実験室にて溶製し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延し、９００℃×３０ｓの熱延板焼鈍し、冷間圧延して板厚０．２０ｍｍとした。
その後、上記冷延板に１０００℃×３０ｓの仕上焼鈍を施して冷延焼鈍板とした後、上記冷延焼鈍板の圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅３０ｍｍ×長さ１８０ｍｍと、幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍの２種類のエプスタイン試験片を打ち抜き加工により採取した。
一方、上記冷延板に、１２００℃の温度で８分の浸珪処理を施して、両表面から板厚の３０％部分までの平均Ｓｉ量を６．３ｍａｓｓ％とし、板厚中央部（板層中心から上下に４０％の部分）の平均Ｓｉ量を４．５％とした鋼板も作製し、同様に、圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅３０ｍｍ×長さ１８０ｍｍと、幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍのエプスタイン試験片を打ち抜き加工により採取した。

これらの試験片についての鉄損測定結果を表１に示す。この結果から、板厚方向にＳｉ量が均一な材料では、５ｍｍ幅の試験片の鉄損は、３０ｍｍ幅の試験片に比べて３０％程度増加していることがわかる。これは、打ち抜き加工によって、鋼板端面が塑性変形を受けることに加え、加工によって圧縮応力が残留するためと考えられる。
一方、枚厚方向にＳｉ量の濃度勾配をつけた試験片では、３０ｍｍ幅の試験片の鉄損値は、Ｓｉが均一な材料と同一レベルであるが、５ｍｍ幅の鉄損劣化率は５％程度であり、Ｓｉが均一な材料よりも大幅に鉄損の劣化が抑制されていることがわかる。
このように、表層部のＳｉを高めた鋼板で、打ち抜き加工による鉄損の劣化が抑制された原因は、まだ明確とはなっていないが、高Ｓｉとしたことで鋼板表層部の磁歪が低くなること、および、高Ｓｉとしたことで鋼板表層部に引張残留応力が生じて、打ち抜き加工時の圧縮応力が相殺され、残留応力の影響を受けにくくなったためと考えている。

次に、表層部のＳｉ量の影響について調査するため、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．２０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成の鋼を実験室にて溶製し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延し、９００℃×３０ｓの熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して板厚０．２０ｍｍとし、その後、１２００℃の温度で１〜２０ｍｉｎの浸珪処理を施して鋼板表層部のＳｉ量を種々に変化させた。なお、表層部の高Ｓｉ部の厚さは、板厚の２５％（片側１２．５％）となるように制御した。これらの材料の圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍのエプスタイン試験片を打ち抜き加工により採取し、鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}を測定した。

ここで、鋼板表層部および内層部の区分およびＳｉ量については、板厚方向において、鋼板全厚のＳｉ量の平均値よりもＳｉ量が高い部分を表層部、低い部分を内層部とし、上記表層部の平均Ｓｉ量を表層部のＳｉ量、上記内層部の平均Ｓｉ量を内層部のＳｉ量と定義した。

図１に、鋼板表層部のＳｉ量と、幅５ｍｍ試験片の鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}との関係を示す。この図から、表層部のＳｉ量が４ｍａｓｓ％以上で、鉄損が大きく低下（鉄損特性が向上）していることがわかる。そこで、本発明では、鋼板表層部のＳｉ量は４ｍａｓｓ％以上、好ましくは４．５ｍａｓｓ％以上とする。一方、Ｓｉ量が７ｍａｓｓ％を超えると、打ち抜き加工性が低下するため、上限は７ｍａｓｓ％とする。

次に、内層部のＳｉ量について検討するため、Ｓｉ：１〜４ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．２０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を実験室にて溶製し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延し、９００℃×３０ｓの熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して板厚：０．２０ｍｍの冷延板とした後、１２００℃の温度で１〜２０ｍｉｎの浸珪処理を施して、鋼板表層部のＳｉ量を６ｍａｓｓ％とし、内層部のＳｉ量を種々に変化させた鋼板を作製した。これら鋼板について、打ち抜き加工を行ったところ、内層のＳｉ量が５ｍａｓｓ％を超えると、打ち抜き加工時に鋼板に亀裂が入り、エプスタイン試験片を作製することができなくなることがあった。そこで、本発明では、内層部のＳｉ量は５ｍａｓｓ％以下に制限する。

次に、複層比、すなわち、全板厚に対する表層部の厚さの比（表層部厚さ／全板厚）の適正範囲を検討するため、素材鋼板のＳｉ量と、浸珪時間を種々に変更することにより、表層部を、Ｓｉ：６ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．２０ｍａｓｓ％とし、内層部をＳｉ：３ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．２０ｍａｓｓ％とし、上記複層比を０．０５〜０．９の範囲で種々に変化させた板厚０．２０ｍｍの鋼板を作製し、これらの材料の圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍのエプスタイン試験片を打ち抜き加工により採取し、鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}を測定した。

図２は、複層比と鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}との関係を示したものである。この図から、複層比が０．１以上で鉄損が急激に低下していることがわかる。これは、表層の高Ｓｉ部が０．１未満では、磁歪低下部および引張応力付与部の量が少なく、打ち抜き加工時の鉄損劣化を抑制する効果が小さいためと考えられる。一方、複層比が０．７超えでは、打ち抜き加工時に割れが生じるようになる。よって、本発明では、複層比を０．１〜０．７の範囲とする。

次に、表層部のＳｉ量と内層部のＳｉ量の差の影響について検討するため、Ｓｉ：４．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：ｔｒ．残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を実験室にて溶製し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延し、９００℃×３０ｓの熱延板焼鈍し、酸洗し、冷間圧延して板厚：０．２０ｍｍとし、その後、１２００℃の温度で１〜２０ｍｉｎの浸珪処理を施して鋼板表層部のＳｉ量を種々に変化させた。この際、複層比は０．３、すなわち、表裏の表層部の合計が全板厚の３０％となるようにした。これらの材料の圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍのエプスタイン試験片を打ち抜き加工により採取し、鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}を測定した。

図３に、表層部のＳｉ量と内層部のＳｉ量の差と鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}との関係を示す。これより、表層部と内層部のＳｉ量の差が０．５ｍａｓｓ％以上で鉄損が大きく低下することがわかる。これはＳｉ量の差が大きくなると、表層部に発生する引張応力も大きくなるため、打ち抜き加工歪による鉄損劣化が抑制されるためと考えられる。

ところで、このような鋼板表層部のＳｉ量が高い複層鋼板を打ち抜き加工した場合、表層のＳｉ量が７ｍａｓｓ％以下であっても、打ち抜き加工における剪断面近傍の表層部にクラックが入る場合があることが認められた。幅が３０ｍｍ程度の広幅材では、剪断面近傍にクラックが存在しても鉄損の増加は小さいが、幅が５ｍｍ程度の狭幅材では、板幅に占めるクラック発生幅の比率が大きくなるため、鉄損特性がクラックの影響を受け易くなる。

そこで、クラック発生の原因を調査するため、板厚０．２ｍｍの材料の鋼板を、一方の表面側から化学研磨し、もう一方の表層の高Ｓｉ部のみ（表面から０．０４ｍｍ）を残した試験片を作製し、圧延方向の引張試験を行った。その結果、クラックの発生が認められた材料では、上記試験片の伸びがいずれも５％未満であり、一方、クラックの発生が認められなかった材料では、伸びが５％以上であることが明らかとなった。この結果から、打ち抜き加工でクラックの発生した材料は、表層部の伸びが小さいため、打ち抜き加工で割れが発生したものと考えられる。

さらに、クラックが生じた材料について、割れ部をＳＥＭで詳細に観察したところ、粒界に沿った割れが多数認められた。これは、浸珪処理を行う前に鋼板表面に存在した酸化物等から発生した酸素等の不純物が、浸珪処理時に粒界に拡散し、粒界強度を低下させたためと考えられた。そこで、鋼板表面をブラシで擦って汚れを除去し、アルカリ脱脂した後、浸珪処理を施したところ、これらの材料では、打ち抜き加工による表層部のクラック発生は認められず、鋼板表層部の伸びも５％以上を確保できていることがわかった。そこで、本発明では、鋼板表層部の伸びを５％以上と規定する。

次に、本発明のモータコア用鋼板のＳｉ以外の成分組成について説明する。
Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減するのに有効な元素である。しかし、３ｍａｓｓ％を超えると、鋼板が硬質化し、打ち抜き加工することが難しくなる。よって、Ａｌは、表層部、内層部とも３ｍａｓｓ％以下とする。

上述したＳｉ，Ａｌ以外の成分については、モータコア用の材料に通常含まれる成分であれば、特に制限なく含有することができる。例えば、Ｍｎ，Ｐ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃａ，Ｍｇは、Ｍｎ：０．０５〜５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．００５〜０．２ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．００５〜０．１ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０５〜２ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．０５〜５ｍａｓｓ％、Ｃａ：０．００１〜０．００６ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．００１〜０．００５ｍａｓｓ％の範囲であれば含有しても差し支えない。

ただし、ＮｂおよびＭｏについては、以下の範囲に制限するのが好ましい。
Ｎｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下
Ｎｂは、炭窒化物を形成し、鉄損が増加させる有害な元素であり、特に０．００１０ｍａｓｓ％を超えると、その影響が大きくなる。よって、本発明では、Ｎｂの上限を０．００１０ｍａｓｓ％に制限するのが好ましい。

Ｍｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下
Ｍｏは、Ｎｂと同様、炭窒化物を形成し、鉄損が増加する有害な元素であり、０．０１ｍａｓｓ％を超えると、その影響が大きくなる。よって、本発明では、Ｍｏの上限を０．０１ｍａｓｓ％に制限するのが好ましい。

次に、本発明のモータコア用鋼板の製造方法について説明する。
本発明のモータコア用鋼板は、表層部と内層部のＳｉ量を変化させることが重要であり、そのための方法としては、例えば、通常公知の精錬プロセスで上述した成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造等で鋼素材（スラブ）とし、熱間圧延し、酸洗し、１回の冷間圧延または温間圧延、もしくは、中間焼鈍を挟む２回以上の冷聞圧延または温間圧延により所定の板厚とし、引き続き、浸珪処理を施して表層部のＳｉ量を高める方法を挙げることができる。この場合、熱間圧延時の仕上温度や巻取温度等は特に制限はなく、また、熱延後の熱延板焼鈍は行ってもよいが必須ではない。

ただし、鋼板表層部の伸びを安定して５％以上とするためには、上記浸珪処理に先立って、ブラッシングとアルカリ脱脂を行い、鋼板表面の汚れを除去しておくことが好ましい。この場合、ブラッシングに用いるブラシとしては、ナイロン等の樹脂製のものが好ましく、また、アルカリ脱脂に用いる洗浄液としては、オルソ珪酸ソーダ等を用いることが好ましい。

また、表層部と内層部のＳｉ量を変化させるその他の方法として、Ｓｉ量が異なるインゴットを貼り合わせた後、熱間圧延し、冷間圧延し、仕上焼鈍を行うことで、表層が高Ｓｉの鋼板とする方法を用いても構わない。

なお、本発明のモータコア用鋼板の板厚については、特に規定しないが、鉄損を低減する観点からは０．３５ｍｍ以下とするのが好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以下である。下限の板厚は、生産性の観点から、０．０５ｍｍ以上とするのが好ましい。

Ｓｉ以外の成分が表２に示した組成を有する鋼を常法の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造して鋼スラブとした後、その鋼スラブを１１４０℃×ｌｈｒ加熱し、仕上圧延終了温度を８００℃とする熱間圧延により板厚２．０ｍｍの熱延板とし、巻取温度６１０℃でコイルに巻き取り、その後、９００℃×３０ｓの熱延板焼鈍を施した。次いで、上記熱延板を酸洗し、冷間圧延して板厚０．２０ｍｍの冷延板とし、さらに、表２に示した各種条件で浸珪処理を施して、同じく表２に示すＳｉ量、複層比を有する複層鋼板とした。なお、一部鋼板を除き、浸珪処理の前に、鋼板表面のブラッシングとアルカリ脱脂を施した。また、浸珪処理後の拡散処理は、１２００℃で１０ｍｉｎ間行った。

斯くして得た鋼板から、圧延方向および圧延直角方向のそれぞれから、幅３０ｍｍ×長さ１８０ｍｍと幅５ｍｍ×長さ１８０ｍｍの２種類のエプスタイン試験片を切り出し、鉄損Ｗ_{１０／２ｋ}を測定し、その結果を表２に併記した。この結果から、表層部と内層部のＳｉ量および複層比を本発明の範囲とすることにより、鉄損が低く、打ち抜き加工時に割れを生じることのないモータコア用鋼板を得ることができることがわかる。

本発明の鋼板は、打ち抜き加工による鉄損特性の劣化が小さいので、例えば、ハイブリッド自動車のモータや、エアコンのコンプレッサー用モータの他、小型発電機のコア材にも好適に用いることができる。

Claims (2)

1. 鋼板の表層部がＳｉ：４〜７ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼板の内層部がＳｉ：５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
   前記表層部の平均Ｓｉ量が前記内層部の平均Ｓｉ量よりも０．５ｍａｓｓ％以上高く、
   全板厚に対する前記表層部の厚さの比である複層比が０．１〜０．７で、
   前記表層部の伸びが５％以上であるモータコア用鋼板。
2. 前記表層部および前記内層部は、Ｎｂ：０．００１０ｍａｓｓ％以下および／またはＭｏ：０．０１ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータコア用鋼板。

Images