JP2019134161A - 電磁鋼板積層体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁心損失をさらに減少させ、強度が増大した電磁鋼板積層体を提供する。【解決手段】電磁鋼板積層体７１の製造方法は、ヘリカル巻きによって電磁鋼板ストリップから出発電磁鋼板積層体を製造することと、出発電磁鋼板積層体の鋼板層５１０、５２０、５３０を、少なくとも２０重量％のアルミニウムおよび／またはケイ素を含有するコーティング６１、６２でコーティングすることと、電磁鋼板積層体７１を得るために、コーティングされた出発電磁鋼板積層体５０を熱処理することとを含む。電磁鋼板積層体７１内でケイ素の均一な分布が達成されるまで熱処理を実施すると、ケイ素含有量が少なくとも６．５重量％である電磁鋼板積層体７１を得ることができる。電磁鋼板積層体内でケイ素含有量の勾配が存在するまで熱処理を実施すると、ケイ素含有量が４重量％超かつ６．５重量％未満の電磁鋼板積層体を得ることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、電磁鋼板積層体(Elektroblechpaket)の製造方法に関する。本発明はさらに、この方法によって製造可能な電磁鋼板積層体に関する。

電磁鋼板は、典型的には鉄ケイ素合金からなり、冷間圧延プロセスとそれに続く焼きなましによって製造される。鋼板材料の電気抵抗は、鋼板を電気機械に使用した場合の磁心損失に大きく影響する。この抵抗は、主に合金のケイ素割合またはアルミニウム割合によって決まる。標準的な電磁鋼板の場合、ケイ素含有量は最大３．５重量％のケイ素である。これは約０．４５μΩｍの比電気抵抗に対応する。

ケイ素およびアルミニウムの高い合金割合を有する電磁鋼板を電気機械の部品に使用することには魅力がある。なぜなら、この合金割合が電磁鋼板の電気抵抗を増大させ、ひいてはそれらの磁心損失を減少させるからである。６．５重量％の高いケイ素含有量の場合、低い磁心損失に加えて、材料の磁気歪または飽和磁気歪は０に近い。その結果、そのような電磁鋼板は、低い圧力感度および高い透磁率を有する。その結果、電気モータのハウジング内に押し込まれる電磁鋼板積層体は、ほんのわずかしか劣化しない。しかしながら、４重量％を超えるケイ素割合を有する鋼板は、規則相の発生により脆くなって冷間加工することができないので、これらはその高い電気抵抗にもかかわらず電磁鋼板として用いられない。

しかしながら、約３重量％のケイ素割合を有する鉄ケイ素帯状体を、ケイ素割合が７重量％まで増加するように、ガス堆積および熱処理によって後から改質することが可能である。これは約０．８μΩｍの著しく高い比電気抵抗をもたらす。しかしながら、この方法は、標準的な電磁鋼板の製造よりも煩雑で高価である。

例えば、独国特許出願公開第１０２０１５１１６４１３号明細書（１０２０１５１１６４１３Ａ１）では、電磁鋼板から打ち抜かれた要素に、ケイ素に富んだコーティングを施すことが提案される。これらはコーティングからケイ素が電磁鋼板内に拡散する熱処理に供される。その結果、電磁鋼板内で最大７％のケイ素濃度を発生させることができる。このようにして得られた要素を互いに積重して固定子鉄心が形成される。

米国特許第４，８９４，９０５号明細書（ＵＳ４，８９４，９０５）からは、ヘリカル巻き(Hochkantrollen)が、電磁鋼板積層体の製造方法として知られている。これはフルカットの打ち抜きおよびシングルラミネーションの積層よりも安価である。この場合、溝はまっすぐなストリップに打ち抜かれ、それに続きストリップはコイルスプリング状の構造で折り曲げられて積層体が形成される。この場合、鋼板ストリップは、良好な成形性を要する変形を大いに受ける。しかしながら、ケイ素に富んだ帯状体は、脆性であることから、ヘリカル巻きされた積層体、または直線状の積層体から折り曲げられた固定子積層体もしくは回転子積層体を製造することはできない。電磁鋼板のケイ素含有量が増加するにつれて、その延性は低下し、ひいては電磁鋼板積層体の最小折り曲げ半径が増加する。それゆえ、磁心損失が少ない高ケイ素化電磁鋼板の場合、電磁鋼板積層体の製造可能性は、この方法では厳しく制限されている。

独国特許出願公開第１０２０１５１１６４１３号明細書 米国特許第４，８９４，９０５号明細書

電磁鋼板積層体を製造するための本発明による方法の１つの実施例において使用することができる電磁鋼板ストリップの平面図を示す。 電磁鋼板積層体を製造するための本発明の実施例に従った方法で使用することができる出発電磁鋼板積層体の平面図を示す。 本発明による方法の１つの実施例において、熱処理による電磁鋼板積層体の得られ方を概略的に示す。 本発明による方法の別の実施例において、熱処理による電磁鋼板積層体の得られ方を概略的に示す。

本発明の開示
電磁鋼板積層体を製造する方法は、ヘリカル巻きによって電磁鋼板ストリップから出発電磁鋼板積層体を製造することから始められる。電磁鋼板ストリップは、特に熱間圧延される。ヘリカル巻きの詳細な説明は、米国特許第４，８９４，９０５号明細書（ＵＳ４，８９４，９０５）に見出すことができ、これは参照により本開示の一部として完全に組み込まれる。出発電磁鋼板積層体の鋼板層はコーティングでコーティングされている。コーティングはアルミニウムおよび／またはケイ素を含み、これらの両元素の合計は、コーティングの計１００重量％の少なくとも２０重量％、好ましくは少なくとも４０重量％、特に好ましくは少なくとも６０重量％、非常に好ましくは少なくとも９５重量％である。電磁鋼板積層体を得るために、コーティングされた出発電磁鋼板積層体の熱処理が行われる。この方法は、出発電磁鋼板積層体の簡単な製造のためにアルミニウム含有量およびケイ素含有量が少ない電磁鋼板ストリップを使用すべきであるという知見に基づいている。出発電磁鋼板積層体のコーティングは、これがその最終的な形態をとった段階で初めて行われる。熱処理の結果として、コーティングが電磁鋼板内に拡散されることで、アルミニウム含有量および／またはケイ素含有量が増加する。さらに、出発電磁鋼板の製造中に電磁鋼板ストリップが変形することによって引き起こされる電磁鋼板の磁気損傷が回復する。熱処理中にアルミニウムおよび／またはケイ素が拡散することによって、電磁鋼板の延性が低下する。しかしながら、これは、電磁鋼板の変形がこの時点で既に完了していることから無害である。

ヘリカル巻きによる出発電磁鋼板積層体の良好な製造が可能となるような電磁鋼板ストリップの高い延性を保証するために、ストリップは全体で好ましくは最大４重量％、特に好ましくは最大３重量％、非常に好ましくは最大０．６重量％のアルミニウムおよびケイ素の含有量を有する。

コーティングがアルミニウムまたはアルミニウム基合金でもケイ素またはケイ素基合金でもない方法の実施形態では、コーティングは鉄基合金であることが好ましい。これによりコーティング成分の電磁鋼板内への良好な拡散が可能になる。コーティングが鉄基合金である場合、それは好ましくは少なくとも２０重量％、特に好ましくは少なくとも３０重量％、非常に好ましくは少なくとも４０重量％のケイ素を含有する。これにより電磁鋼板積層体の磁心損失をさらに減少させることが可能になる。

コーティングは、特に、スプレーコーティング、ディップコーティング、または印刷によって出発電磁鋼板に施すことができる。

熱処理は、有利には、コーティングの電磁鋼板内への拡散に加えて、コーティングされた出発電磁鋼板積層体の追加の鋼板層が一緒に焼結されるように実施される。これにより電磁鋼板積層体の強度が増大する。

本方法の１つの実施形態では、電磁鋼板積層体内でアルミニウムおよび／またはケイ素の均一な分布が達成されるまで熱処理が実施される。本方法のこの実施形態により、特に、ケイ素含有量が少なくとも６．５重量％である電磁鋼板積層体を得ることができる。

本方法の別の実施形態では、熱処理は、電磁鋼板積層体内でアルミニウムおよび／またはケイ素の均一な分布が達成されるまで実施されず、アルミニウム含有量および／またはケイ素含有量の少なくとも１つの勾配が存在するまでしか実施されない。この勾配は、元の電磁鋼板ストリップの一部と、場合によってはまだ完全には電磁鋼板内に拡散していないコーティングの一部にわたって延在する。ここで、「勾配」という用語は、電磁鋼板積層体全体にわたって延在する単一の勾配として理解されるべきではない。そうではなくて、勾配が、電磁鋼板積層体の領域、典型的には鋼板内に存在すれば十分である。電磁鋼板積層体の形状に応じて、これは出発電磁鋼板積層体の最初にコーティングされた領域から熱処理された電磁鋼板積層体の電磁鋼板ストリップ内へと延びる多くの勾配を有することができる。この実施形態では、電磁鋼板ストリップは、有利には０．０５重量％〜０．３０重量％の炭素を含有する鉄基合金からなる。鉄基合金のケイ素含有量は、有利には最大０．６重量である。このようにして、ケイ素含有量が４重量％超６．５重量％未満である電磁鋼板積層体を得ることができる。それにもかかわらず、特に、最も高い磁心損失が発生する鋼板表面上での勾配における局所的に高いケイ素含有量に起因して、得られる磁心損失は全体的に低い。

本発明の実施例を図面に示し、以下の記載においてより詳細に説明する。

発明の実施例
図１は、ヘリカル巻きによって出発電磁鋼板積層体を製造するために準備されている電磁鋼板ストリップ１０を示す。この場合、これはＤＩＮ ＥＮ １０１３０に従った圧延タイプＤＣ０１の熱間圧延鋼板からなる。それは一方の側に第１の溝２０を有し、他方の反対側に第２の溝３０を有する。

図２では、電磁鋼板ストリップ１０をマンドレル４１の周りにコイルスプリング状に巻くことによる出発電磁鋼板積層体４０の得られ方が示される。巻かれた際に、電磁鋼板ストリップ１０は変形し、その結果、第１の溝２０は広げられて、第１の溝２１に拡大される。マンドレル４１に面している第２の溝３０は圧縮されて、第２の溝３１に縮小される。

出発電磁鋼板積層体４０は、スプレーコーティングによってコーティングが施される。このコーティングは、ケイ素４０重量％およびアルミニウム２０重量％を含有する鉄基合金である。

図３に示されるように、このようにして、鋼板層５１０、５２０、５３０が、それぞれそれらの他方の鋼板層に面した側にコーティング６１、６２を有する、コーティングされた出発電磁鋼板積層体５０が得られる。本発明による方法の第１の実施例では、電磁鋼板ストリップ１０ひいては鋼板層５１０、５２０、５３０は、ケイ素３．５重量％を含有する標準的な電磁鋼板からなる。１０００〜１２００℃で６時間にわたる熱処理によって電磁鋼板積層体７１が得られ、電磁鋼板積層体７１が６．５重量％の均一なケイ素含有量を有するように、この鋼板層５１１、５２１、５３１内にはコーティング６１、６２が拡散している。さらに、鋼板層５１１、５２１、５３１は一緒に焼結されている。

本発明による方法の第２の実施例を図４に示している。この場合、電磁鋼板ストリップ１０ひいては鋼板層５１０、５２０、５３０も、０．２重量％の炭素含有量および０．５重量％のケイ素含有量を有する低炭素鋼からなる。１０００〜１２００℃で６時間にわたる熱処理によって、互いに焼結された鋼板層５１２、５２２、５３２の電磁鋼板積層体４２が得られる。これらの鋼板層５１２、５２２、５３２は、４％の合計平均ケイ素含有量を有する。しかしながら、これは電磁鋼板積層体７２にわたって均一に分布していない。そうではなくて、電磁鋼板積層体７２内にはケイ素含有量の勾配が存在する。これらは図４においてドットで表されており、ここで、高いドット密度は高いケイ素含有量に対応し、低いドット密度は低いケイ素含有量に対応する。いずれの勾配も、もともとコーティング６１、６２が配置されていた領域から始まる。ここでのケイ素含有量が最も高く、鋼板層５１２、５２２、５３２の内部に向かって低下する。

本発明の更なる実施例では、例えば、以下の組成のうちの１つを有するコーティングも使用することができる。

− ケイ素１００重量％
− ケイ素６０重量％、アルミニウム３０重量％、残部：鉄
− ケイ素４０重量％、アルミニウム４０重量％、残部：鉄
− アルミニウム１００重量％

本方法の別の実施形態では、熱処理は、電磁鋼板積層体内でアルミニウムおよび／またはケイ素の均一な分布が達成されるまで実施されず、アルミニウム含有量および／またはケイ素含有量の少なくとも１つの勾配が存在するまでしか実施されない。この勾配は、元の電磁鋼板ストリップの一部と、場合によってはまだ完全には電磁鋼板内に拡散していないコーティングの一部にわたって延在する。ここで、「勾配」という用語は、電磁鋼板積層体全体にわたって延在する単一の勾配として理解されるべきではない。そうではなくて、勾配が、電磁鋼板積層体の領域、典型的には鋼板内に存在すれば十分である。電磁鋼板積層体の形状に応じて、これは出発電磁鋼板積層体の最初にコーティングされた領域から熱処理された電磁鋼板積層体の電磁鋼板ストリップ内へと延びる多くの勾配を有することができる。この実施形態では、電磁鋼板ストリップは、有利には０．０５重量％〜０．３０重量％の炭素を含有する鉄基合金からなる。鉄基合金のケイ素含有量は、有利には最大０．６重量％である。このようにして、ケイ素含有量が４重量％超６．５重量％未満である電磁鋼板積層体を得ることができる。それにもかかわらず、特に、最も高い磁心損失が発生する鋼板表面上での勾配における局所的に高いケイ素含有量に起因して、得られる磁心損失は全体的に低い。

Claims (10)

1. 電磁鋼板積層体（７１、７２）を製造する方法であって、以下の工程：
   − ヘリカル巻きによって電磁鋼板ストリップ（１０）から出発電磁鋼板積層体（４０）を製造する工程と、
   − 前記出発電磁鋼板積層体（４０）の鋼板層（５１０、５２０、５３０）を、少なくとも２０重量％のアルミニウムおよび／またはケイ素を含有するコーティング（６１、６２）でコーティングする工程と、
   − 前記電磁鋼板積層体（７１、７２）を得るために、コーティングされた出発電磁鋼板積層体（５０）を熱処理する工程と
   を含む、方法。
2. 前記電磁鋼板ストリップ（１０）が、最大４重量％のアルミニウムおよび／またはケイ素を含有することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記コーティング（６１、６２）が、鉄基合金であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記コーティング（６１、６２）が、少なくとも２０重量％のケイ素を含有することを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 前記コーティング（６１、６２）を、スプレーコーティング、ディップコーティング、または印刷によって前記出発電磁鋼板積層体（４０）に施すことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記熱処理において、前記コーティングされた出発電磁鋼板積層体（５０）の鋼板層（５１０、５２０、５３０）の焼結を実施することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記熱処理を、前記電磁鋼板積層体（７１）内でアルミニウムおよび／またはケイ素の均一な分布が達成されるまで実施することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記熱処理を、前記電磁鋼板積層体（７２）内でアルミニウム含有量および／またはケイ素含有量の少なくとも１つの勾配が存在するまで実施することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 請求項７記載の方法により製造可能である、ケイ素含有量が少なくとも６．５重量％である電磁鋼板積層体（７１）。
10. 請求項８記載の方法により製造可能である、ケイ素含有量が４重量％超６．５重量％未満である電磁鋼板積層体（７２）。

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