JP2014223641A

JP2014223641A - プレス加工品の製造方法及びプレス加工用鋼板

Info

Publication number: JP2014223641A
Application number: JP2013103763A
Authority: JP
Inventors: 創木下; So Kinoshita; 幸次守谷; Koji Moriya
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Also published as: CN104164645B; CN104164645A; EP2803737A3; EP2803737A2

Abstract

【課題】珪素鋼板を用いたプレス加工品を製造するうえで、鋼板の加工性に優れたプレス加工品の製造方法及びこれに用いられるプレス加工用鋼板を提供する。
【解決手段】高珪素鋼板の素材となる低珪素鋼板１４に、プレス加工されるべき部位１６の表面にマスク３０を被覆して浸珪処理する工程と、浸珪処理された高珪素鋼板を被加工材として、プレス加工されるべき部位１６をプレス加工する工程と、を含む。プレス加工されるべき部位１６の表面にマスク３０を被覆して浸珪処理するため、プレス加工されるべき部位１６が他の部位より軟らかい高珪素鋼板が得られる。この高珪素鋼板をプレス加工するため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、珪素鋼板を用いたモーターコア、トランスコア等のプレス加工品の製造方法及びこれに用いられるプレス加工用鋼板に関する。

モーターコア、トランスコア等の鉄心は、その特性として低鉄損、高磁束密度が求められる。特に、低鉄損を満足する材料として、重量％で、Ｓｉ量が４．０％以上の珪素鋼板が広く用いられている。この珪素鋼板を得る方法としては、浸珪処理、直接鋳造法等が知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−１７８６９９号

珪素鋼板は、優れた低鉄損特性をもつ一方で、Ｓｉ量が増すほど鋼板が硬くなり、プレス加工時の加工性が急激に低下する。また、鋼板が硬くなるため、プレス加工に用いられるパンチ、ダイ等の金型が摩耗、損傷し易くなり、金型のメンテナンス頻度が増大する。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、珪素鋼板を用いたプレス加工品を製造するうえで、鋼板の加工性に優れたプレス加工品の製造方法及びこれに用いられるプレス加工用鋼板を提供することにある。

本発明のある態様はプレス加工品の製造方法に関する。プレス加工品の製造方法は、プレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかい珪素鋼板を被加工材として、そのプレス加工されるべき部位をプレス加工する工程を含むことを特徴とする。

この態様によると、プレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかい珪素鋼板をプレス加工するため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。

また、本発明の別の態様に係るプレス加工品の製造方法は、高珪素鋼板の素材鋼板となる低珪素鋼板をプレス加工する工程と、低珪素鋼板を浸珪処理して高珪素鋼板とする浸珪工程と、を含むことを特徴とする。

この態様によると、高珪素鋼板より軟らかく加工性のよい低珪素鋼板をプレス加工した後に浸珪処理するため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。

また、本発明のある態様はプレス加工用鋼板に関する。プレス加工用鋼板は、珪素鋼板のプレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかいことを特徴とする。

この態様によると、プレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかいため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。

本発明のある態様に係るプレス加工品の製造方法によれば、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。

本発明のある態様に係るプレス加工用鋼板によれば、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。

第１実施形態に係るプレス加工品を得るために用いられる被加工材としての高珪素鋼板を示す平面図である。第１実施形態に係る製造方法の途中工程として低珪素鋼板を浸珪処理している状態を示す側面断面図である。第１実施形態に係る製造方法の途中工程として高珪素鋼板をプレス加工している状態を示す側面断面図である。第２実施形態に係る製造方法の途中工程として高珪素鋼板をエッチングしている状態を示す側面断面図である。第２実施形態に係る製造方法の途中工程として高珪素鋼板をプレス加工している状態を示す側面断面図である。第３実施形態に係る製造方法の途中工程として脱珪素用鋼材を用いて高珪素鋼板を熱処理している状態を示す側面断面図である。第４実施形態に係る製造方法の途中工程を説明する図である。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る製造方法により得られるプレス加工品は高珪素鋼板により構成される。高珪素鋼板は、重量％で、少なくとも４．０％以上のＳｉを含有する。Ｓｉは鉄損特性の改善に有効な元素であり、その含有量が４．０％以上であると優れた低鉄損特性が得られる。一方、Ｓｉの含有量が４．０％以上であると、その含有量が増すほど鋼板が過度に硬くなり、プレス加工時の加工性が低下して問題となる。高珪素鋼板は、後述の浸珪処理や直接鋳造法等により得られる。Ｓｉは、その上限値について、特に限定されないが、７．０％超であると飽和磁束密度が著しく低下するため、７．０％以下が好ましい。また、Ｓｉは、その下限値について、その含有量が６．０％以上であると更に優れた低鉄損特性が得られるので、６．０％以上が好ましい。

高珪素鋼板のＳｉ以外の成分やその数値範囲は特に限定されず、公知の製鋼プロセスを経て得られる成分、数値範囲であればよい。Ｓｉ以外の成分、数値範囲は、その一例を挙げると、重量％で、Ｃが０．０１％以下、Ｍｎが０．５％以下、Ｐが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物から構成される。この他に、鉄損特性、加工性を阻害しない範囲で、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｂ等の合金元素を含有してもよい。

図１は、第１実施形態に係るプレス加工品を得るために用いられる被加工材１０としての高珪素鋼板１８を示す。プレス加工品は、打ち抜き加工等のプレス加工によって、被加工材１０を予め定めた形状に成形して得られる。以下では、プレス加工品としてモータのステータコアを得る場合を説明する。図１では、ステータコアを平面視したときにその外形となるべき部位１２を二点鎖線で示す。

第１実施形態に係る製造方法では、まず、高珪素鋼板１８の素材となる低珪素鋼板を浸珪処理して高珪素鋼板１８を得る。低珪素鋼板は、重量％で、４．０％未満のＳｉを含有する。低珪素鋼板の他の成分や数値範囲は特に限定されず、公知の製鋼プロセスを経て得られる成分、数値範囲であればよい。なお、低珪素鋼板のＳｉは、その上限値について、その含有量が３．５％以下であると加工性が良好となるため、３．５％以下が好ましい。

浸珪処理は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて行われる。この浸珪処理は、Ｓｉ源となるＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_４等の原料ガスを含む非酸化性雰囲気中に鋼板を配置し、所定の温度に鋼板を加熱し、その温度に加熱した状態で鋼板を保持して行われる。これにより、鋼板の表層にＳｉが浸透し、その鋼板表層のＳｉが板厚方向に拡散する。この鋼板の加熱温度は、Ｓｉ源としてＳｉＣｌ_４を用いる場合、たとえば、１０２３℃〜１２３０℃となる。

図２は、低珪素鋼板１４を浸珪処理している状態を示す。図示の例では、チャンバ内に設けられたステージ２０上に低珪素鋼板１４を配置して、低珪素鋼板１４の板厚方向の片面に浸珪処理している状態を示す。

浸珪処理は、低珪素鋼板１４に対して、プレス加工されるべき部位１６（以下、加工予定部１６ともいう。）の表面にマスク３０を被覆して行う。ここでいう加工予定部１６とは、プレス加工時に塑性変形する部位をいう。プレス加工として打ち抜き加工する場合、パンチの刃先とダイの刃先とによりせん断変形する部位が加工予定部１６となる。図示の例では、説明を簡単にするため、加工予定部１６を二点鎖線で囲んで示す。

マスク３０は、予め定められたパターンが形成された金属箔等の機械的マスクを用いる。このパターンは、低珪素鋼板１４の加工予定部１６の表面を被覆し、それ以外の部位の表面が露出するように形成される。この機械的マスクは、浸珪処理時の加熱に耐えられるように、純鉄、珪素鋼等の金属材料や、ガラス等のセラミックス材料を素材とする。

マスク３０を用いた浸珪処理により、マスク３０により被覆されていない加工予定部１６以外の他の部位でのＳｉの浸透が進行し、マスク３０を被覆した加工予定部１６でのＳｉの浸透が妨げられる。つまり、加工予定部１６が浸珪されず、加工予定部１６以外の他の部位が浸珪される。よって、加工予定部１６のＳｉ量がそれ以外の部位より小さい高珪素鋼板１８が得られる。Ｓｉ量が増大するほど鋼板が硬くなるため、加工予定部１６が他の部位より軟らかい高珪素鋼板１８が得られることになる。

高珪素鋼板１８のＳｉは、重量％で、加工予定部１６が４．０％未満となり、それ以外の部位が４．０％以上となるように、浸珪処理条件が調整される。より好ましくは、加工予定部１６が３．５％以下となり、それ以外の部位が６．０％以上となるように、浸珪処理条件が調整される。この調整される浸珪処理条件とは、鋼板が配置される非酸化性雰囲気中の原料ガス濃度、鋼板の加熱温度、加熱した状態での鋼板の保持時間等である。

低珪素鋼板１４の加工予定部１６は、低珪素鋼板１４の面内方向に沿って延びて設けられる。加工予定部１６の延びる方向と直交する方向であって、低珪素鋼板１４の面内方向を方向Ａとしたとき、マスク３０は、加工予定部１６より広い方向Ａに亘る範囲を被覆すると好ましい。このマスク３０の被覆範囲は、加工予定部１６を間に挟んだ方向Ａに亘る範囲をいい、方向Ａのほぼ中央位置に加工予定部１６が配置される。これにより、鋼板の表層に浸透したＳｉが板厚方向に拡散するときに、加工予定部１６までの拡散が抑えられ、プレス加工時に被加工材と金型との間で高い位置決め精度が求められず、安定してプレス加工できる。このマスク３０の被覆範囲は、例えば、３．０ｍｍ以上とすると、加工予定部１６までの拡散が十分に抑えられる。

つづいて、浸珪処理により得られた高珪素鋼板１８を被加工材１０として、ステータコアの形状に成形されるように、加工予定部１６をプレス加工する。つまり、予め定めたプレス加工品の形状に成形されるように、加工予定部１６をプレス加工する。

図３は、被加工材１０の加工予定部１６をプレス加工する状態を示す。図示の例では、パンチ３１の刃先３１ａとダイ３３の刃先３３ａとの間に被加工材１０の加工予定部１６が配置される。パンチ３１を上下動させると、パンチ３１とダイ３３の刃先３１ａ、３３ｂにより、被加工材１０が加工予定部１６に沿ってせん断変形して打ち抜かれ、ステータコアの形状のプレス成形品が得られる。

第１実施形態に係る製造方法によれば、プレス加工されるべき部位１６が他の部位より軟らかい高珪素鋼板１８をプレス加工するため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。また、プレス加工されるべき部位１６が他の部位より軟らかいため、プレス加工に用いられるパンチ、ダイ等の金型が摩耗、損傷し難くなり、金型のメンテナンス頻度が低減する。

（第２実施形態）
以下の実施形態では、第１実施形態で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する

第２実施形態に係る製造方法では、まず、高珪素鋼板１８の素材となる低珪素鋼板１４を用いて浸珪処理して高珪素鋼板１８を得る。この浸珪処理は、低珪素鋼板１４の表面にマスクを被覆せずに行い、それ以外の点では第１実施形態で説明した内容と同様である。

つづいて、図４に示すように、浸珪処理により得られた高珪素鋼板１８に、加工予定部１６の表面が露出するようにマスク３０を被覆してエッチングする。マスク３０は、予めパターンが形成された機械的マスクを用いる。このパターンは、高珪素鋼板１８の加工予定部１６の表面が露出し、それ以外の部位の表面を被覆するように形成される。

エッチングは、ＦｅＣｌ_３等のエッチング液の塗布、噴霧等により行う。エッチングは、図５に示すように、高珪素鋼板１８の加工予定部１６に凹部１６ａが形成され、その加工予定部１６が貫通しない程度にエッチング条件を調整する。この調整されるエッチング条件とは、エッチング液に曝す時間や、エッチング液の種類等である。

マスク３０を用いたエッチングにより、マスク３０により被覆されていない加工予定部１６でのエッチングが進行する一方で、マスク３０を被覆した加工予定部１６以外の部位でのエッチングが妨げられる。よって、加工予定部１６の板厚が他の部位より薄い高珪素鋼板１８が得られる。板厚が薄い部位ほど軟らかくなるため、加工予定部１６が他の部位より軟らかい高珪素鋼板１８が得られる。つまり、マスク３０を用いたエッチングにより、高珪素鋼板１８の加工予定部１６を軟化させることになる。

高珪素鋼板１８のエッチング範囲は、高珪素鋼板１８の加工予定部１６より広い方向Ａに亘る範囲であると好ましい。このエッチング範囲は、加工予定部１６を間に挟んだ方向Ａに亘る範囲をいい、方向Ａのほぼ中央位置に加工予定部１６が配置される。これにより、プレス加工時に被加工材と金型との間で高い位置決め精度が求められず、安定してプレス加工できる。

また、高珪素鋼板１８のエッチングした部位の板厚は、例えば、高珪素鋼板１８の他の部位の板厚ｔに対して、ｔ×１／４以上、ｔ×３／４以下とすると、エッチング時間を抑えつつ、加工予定部１６を十分に軟化させる効果が得られる。

つづいて、第１実施形態と同様に、高珪素鋼板１８を被加工材１０として、プレス加工品の形状に成形されるように、加工予定部１６をプレス加工する。

第２実施形態に係る製造方法によれば、第１実施形態と同様に、プレス加工時の鋼板の加工性に優れるうえ、金型のメンテナンス頻度が低減する。また、高珪素鋼板１８のプレス加工されるべき部位１６にエッチングにより凹部１６ａが形成されるため、プレス加工されるべき部位１６の位置を目視により容易に判別でき、プレス加工時の被加工材と金型との間の位置合せ作業が容易となる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る製造方法では、まず、高珪素鋼板１８の素材となる低珪素鋼板１４を用いて浸珪処理して高珪素鋼板１８を得る。この浸珪処理は、低珪素鋼板１４の表面にマスク３０を被覆せずに行い、それ以外の点では第１実施形態で説明した内容と同様である。

つづいて、図６に示すように、浸珪処理して得られた高珪素鋼板１８に、加工予定部１６の表面に脱珪素用鋼材４０を接触させて、高珪素鋼板１８から脱珪素用鋼材４０にＳｉを拡散させるように熱処理する。

脱珪素用鋼材４０は、高珪素鋼板１８よりＳｉの含有量の少ない鋼材であり、たとえば、重量％で、４．０％未満のＳｉを含有する低珪素鋼板１４により構成される。脱珪素用鋼材４０は、高珪素鋼板１８の加工予定部１６の表面を被覆するように形成される。つまり、脱珪素用鋼材４０は、高珪素鋼板１８の加工予定部１６に沿った形状に形成される。

熱処理は、非酸化性雰囲気中に脱珪素用鋼材４０と高珪素鋼板１８を配置し、所定の温度に脱珪素用鋼材４０と高珪素鋼板１８を加熱し、その温度に加熱した状態で脱珪素用鋼材４０と高珪素鋼板１８を保持して行われる。この加熱温度は、高珪素鋼板１８から脱珪素用鋼材４０にＳｉが拡散できる温度に設定され、たとえば、１０００℃〜１２００℃となる。

以上の熱処理により、脱珪素用鋼材４０が接触している加工予定部１６のＳｉ量が他の部位より小さい高珪素鋼板１８が得られる。つまり、脱珪素用鋼材４０を用いた熱処理により、高珪素鋼板１８の加工予定部１６を軟化させることになる。

高珪素鋼板１８のＳｉは、重量％で、加工予定部１６が４．０％未満、それ以外の部位が４．０％以上となるように、熱処理条件や脱珪素用鋼材４０の成分、サイズが調整される。より好ましくは、加工予定部１６が３．５％以下となり、それ以外の部位が６．０％以上となるように、熱処理条件等が調整される。この調整される熱処理条件とは、鋼板の加熱温度や、加熱した状態での鋼板の保持時間等である。また、調整される脱珪素用鋼材４０の成分とは、脱珪素用鋼材４０のＳｉの含有量等であり、Ｓｉ量が少ないほど高珪素鋼板１８から脱珪素用鋼材４０にＳｉが拡散し易くなる。また、調整される脱珪素用鋼材４０のサイズとは、高珪素鋼板１８の板厚に対する脱珪素用鋼材４０の厚さ等であり、その厚さが厚いほど、高珪素鋼板１８から脱珪素用鋼材４０に拡散できるＳｉ量が増え、Ｓｉが拡散し易くなる。

つづいて、第１実施形態と同様に、高珪素鋼板１８を被加工材１０として、プレス加工品の形状が成形されるように、加工予定部１６をプレス加工する。

第３実施形態に係る製造方法によれば、第１実施形態と同様に、プレス加工時の鋼板の加工性に優れるうえ、金型のメンテナンス頻度が低減する。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る製造方法では、まず、図７に示すように、高珪素鋼板１８の素材となる低珪素鋼板１４を被加工材１０として、予め定めたプレス加工品１９の形状に成形されるようにプレス加工する。

つづいて、プレス加工品の形状に成形された低珪素鋼板１４を素材として浸珪処理して高珪素鋼板１８を得る。この浸珪処理は、低珪素鋼板１４の表面にマスクを被覆せずに行う。浸珪処理は、これ以外の点では第１実施形態で説明した内容と同様である。

第４実施形態に係る製造方法によれば、高珪素鋼板１８より軟らかく加工性のよい低珪素鋼板１４を被加工材１０としてプレス加工した後に浸珪処理するため、プレス加工時の鋼板の加工性に優れる。また、高珪素鋼板１８より軟らかい低珪素鋼板１４をプレス加工するため、プレス加工に用いられるパンチ、ダイ等の金型が摩耗、損傷し難くなり、金型のメンテナンス頻度が低減する。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

上述の各実施形態では、本発明に係る製造方法により製造されるプレス加工品として、モータのステータコアを例示したが、これに限定されず、発電機、トランス等の電気機器の鉄心でもよいし、鉄心以外でもよい。

上述の各実施形態では、浸珪処理としてＣＶＤ法を用いた方法を説明したが、浸珪処理は、ＣＶＤ法による方法に限定されない。他の方法を用いた浸珪処理としては、たとえば、ＷＯ２００４／０４４２５１号公報に記載のように、Ｓｉを主成分とする被覆組成物を低珪素鋼板に塗布し、無酸化性雰囲気中で低珪素鋼板を焼鈍して行われてもよい。

上述の各実施形態では、プレス加工として打ち抜き加工を説明したが、プレス加工は、打ち抜き加工以外の曲げ加工、絞り加工等でもよい。

上述の第１、第２実施形態では、マスク３０として機械的マスクを説明したが、マスク３０は、鋼板の表面の一部を被覆できればよく、たとえば、フォトレジスト等でもよい。マスク３０としてフォトレジストを用いる場合、フォトリソグラフィ法によりパターンが形成されたフォトレジストを鋼板に被覆させる。

上述の第２実施形態では、低珪素鋼板１４の表面にマスク３０を被覆せずに浸珪処理したが、第１実施形態のように、低珪素鋼板１４の表面にマスク３０を被覆して浸珪処理し、その後にエッチングを実行してもよい。この場合、加工予定部１６のＳｉの含有量が他の部位より少なく、かつ、加工予定部１６の板厚が他の部位より薄い高珪素鋼板１８が得られる。

上述の第２実施形態では、浸珪処理した後にエッチングしたが、エッチングしてから浸珪処理してもよい。つまり、プレス加工時の被加工材１０として用いられる鋼板に、加工予定部１６の表面が露出するようにマスク３０を被覆してエッチングする工程が行われれば、浸珪処理は、そのエッチング工程の前後の何れに行われてもよい。

上述の第２、第３実施形態では、高珪素鋼板１８を得る方法として、低珪素鋼板１４を浸珪処理する方法を説明したが、高珪素鋼板１８を得る方法は浸珪処理に限定されず、公知の方法が用いられてもよい。この方法としては、たとえば、高珪素鋼板１８と同様の成分を含有する溶鋼を用い、その溶鋼を複数のロール等により板状に成形しつつ冷却して高珪素鋼板とする直接鋳造法が用いられてもよい。

上述の第１実施形態では、マスク３０を用いて加工予定部１６が浸珪されないように、他の部位を浸珪させたが、加工予定部１６が浸珪されないようにするための手段はマスク３０に限定されない。また、上述の第２、第３実施形態では、エッチング又は脱珪素用鋼材４０を用いて加工予定部１６を軟化させたが、加工予定部１６を軟化させるための手段はこれらに限定されない。

本発明に係る製造方法は、所定の単位寸法の鋼板に各工程が順に行われるバッチプロセスとして実現されてもよいし、連続的に搬送される鋼帯に各工程が行われる連続プロセスとして実現されてもよい。

１０：被加工材、１４：低珪素鋼板、１６：プレス加工されるべき部位（加工予定部）、１８：高珪素鋼板、３０：マスク

Claims

プレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかい珪素鋼板を被加工材として、該プレス加工されるべき部位をプレス加工する工程を含むことを特徴とするプレス加工品の製造方法。
前記被加工材として用いられる高珪素鋼板の素材となる低珪素鋼板に浸珪処理する工程を含み、
前記浸珪処理する工程では、前記プレス加工されるべき部位が浸珪されないように、他の部位を浸珪させることを特徴とする請求項１に記載のプレス加工品の製造方法。
前記浸珪処理する工程では、前記低珪素鋼板に、前記プレス加工されるべき部位の表面にマスクを被覆して浸珪処理することを特徴とする請求項２に記載のプレス加工品の製造方法。
前記被加工材として用いられる鋼板に、前記プレス加工されるべき部位を軟化させる工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプレス加工品の製造方法。
前記軟化させる工程では、前記被加工材として用いられる鋼板に、前記プレス加工されるべき部位の表面が露出するようにマスクを被覆してエッチングすることを特徴とする請求項４に記載のプレス加工品の製造方法。
前記軟化させる工程では、前記被加工材として用いられる鋼板に、前記プレス加工されるべき部位の表面に脱珪素用鋼材を接触させて、該鋼板から該脱珪素用鋼材にＳｉを拡散させるように熱処理することを特徴とする請求項４に記載のプレス加工品の製造方法。
前記珪素鋼板のプレス加工されるべき部位は他の部位よりＳｉの含有量が少ないことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプレス加工品の製造方法。
前記珪素鋼板のプレス加工されるべき部位は他の部位より板厚が薄いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプレス加工品の製造方法。
高珪素鋼板の素材となる低珪素鋼板をプレス加工する工程と、
前記低珪素鋼板を浸珪処理して高珪素鋼板とする浸珪工程と、を含むことを特徴とするプレス加工品の製造方法。
珪素鋼板のプレス加工されるべき部位が他の部位より軟らかいことを特徴とするプレス加工用鋼板。
前記珪素鋼板のプレス加工されるべき部位は他の部位よりＳｉの含有量が少ないことを特徴とする請求項１０に記載のプレス加工用鋼板。
前記珪素鋼板のプレス加工されるべき部位は他の部位より板厚が薄いことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のプレス加工用鋼板。