JP2019178374A - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法、並びにモータコアおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らが検討したところ、鋼板の表層に存在する微細な結晶粒は、一般的に電磁鋼板の出荷判定などで測定される1.5T(テスラ)、50Hz(ヘルツ)程度の正弦波形で励磁される際の鉄損への悪影響は比較的小さかった。一方、特にインバータモータで大きな問題となる高調波が重畳した励磁波形における鉄損への悪影響が大きくなる場合があることがわかった。
さらに、電磁鋼板の輸送、特に海外への輸出において高温多湿の船倉で長時間保管される際の錆の発生において錆の発生起点となる可能性が示された。
質量%で、
C :0.0005〜0.0050%、
Si:1.0〜5.0%、
Mn:0.10〜2.00%、
N :0.0010〜0.0050%、
Al:0〜2.00%、
P :0.0200%以下、
S :0.0050%以下、
Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計:0〜0.1000%、並びに
残部:Feおよび不純物を含有する化学組成を有し、
鋼板の表面において、円相当直径30μm以下の結晶粒が占める面積率をSA、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率をSCとしたとき、
SA<15%、SC≧70%
であり、さらに
鋼板の表面から深さ20μmの断面において、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率SDが90%以上
である無方向性電磁鋼板。
<2>
前記SCと前記SDが、|SC−SD|≦5%
であり、かつ
鋼板の表面における結晶粒の平均粒径をRA、鋼板の表面から深さ20μmの断面における結晶粒の平均粒径をRDとしたとき、
|RA−RD|/RD≦0.10
である<1>に記載の無方向性電磁鋼板。
<3>
鋼板の表面に表出する結晶粒のうち、鋼板の表面から深さ20μmの断面に達している結晶粒の個数割合が90%以上である<1>又は<2>に記載の無方向性電磁鋼板。
<4>
鋼板の表面から深さ20μmまでの表層領域における、AlNの個数密度をNA、鋼板の表面からの深さが20〜40μmの内層領域における、AlNの個数密度をNDとしたとき、
NA/ND<1.5
である<1>〜<3>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。
<5>
鋼板の表面から深さ20μmまでの表層領域における、硫化物の個数密度をMA、鋼板の表面からの深さが20〜40μmの内層領域における、硫化物の個数密度をMDとしたとき、
MA/MD<1.5
である<1>〜<4>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。
<6>
前記化学組成が、さらに、質量%で、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種を合計量で0.0010〜0.1000%含有する
<1>〜<5>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。
<7>
スラブを1150〜1280℃に加熱した後、仕上げ圧延時の最終圧延温度950〜1280℃で熱延する熱延工程と、
熱延後の熱延板を、巻き取り温度700〜1000℃で巻き取り、巻き取り温度から650℃までの冷却速度を10℃/分以下とする巻き取り工程と、
巻き取り後の熱延板を、熱延板焼鈍を実施することなく、圧下率70〜90%で冷延する冷延工程と、
600℃から750℃までの平均昇温速度を50℃/秒以上、均熱温度950〜1050℃とし、冷延後の冷延板を仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍工程と、
を有する<1>〜<6>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
<8>
<1>〜<6>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板を積層したモータコア。
<9>
<1>〜<6>のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板打ち抜き加工を施して打ち抜き部材を得る打ち抜き工程と、
前記打ち抜き部材を積層する積層工程と、
を有するモータコアの製造方法。
なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、特に断りがない場合、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
化学組成の元素の含有量は、元素量(例えば、C量、Si量等)と表記することがある。
また、以降の説明では、本発明鋼の特性上の特徴となる「高調波が重畳した励磁波形での鉄損および錆の発生の程度」をまとめて、「微細な結晶粒に起因する特性」と記述することがある。なお、本発明鋼が特に注目する鉄損は「高調波が重畳した波形による励磁」に焦点を当てたものとなるが、「微細な結晶粒に起因する」と限定せず単に「鉄損」または「磁気特性」と記述する場合は、一般的な測定値である「正弦波形による励磁」での鉄損または磁気特性を意図するものである。
本実施形態に係る無方向電磁鋼板(以下、「電磁鋼板」又は「鋼板」とも称する)は、質量%で、
C :0.0005〜0.0050%、Si:1.0〜5.0%、Mn:0.10〜2.00%、N :0.0010〜0.0050%、Al:0〜2.00%、P :0.0200%以下、S :0.0050%以下、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計:0〜0.1000%、並びに残部:Feおよび不純物を含有する化学組成を有する。
そして、本実施形態に係る電磁鋼板は、鋼板の表面において、円相当直径30μm以下の結晶粒が占める面積率をSA、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率をSCとしたとき、SA<15%、SC≧70%である。
さらに、鋼板の表面から深さ20μmの断面において、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率SDは、90%以上である。
鋼板表層に微細な結晶粒が存在する電磁鋼板において、鉄損の悪化が生じる電磁鋼板を調べたところ、鋼板表層の組織が全体的に微細化していた。また、この場合、微細な結晶粒は、鋼板の表層から結晶粒1個分だけでなく、内部に向かって複数の結晶粒が連なる領域として広がっていた。
一方、鋼板表層の微細な結晶粒が、鋼板の最表層から内部に向かってほぼ結晶粒1個分の厚さ領域に留まる鋼板は、鉄損の悪化はそれほどではないものの、微細な結晶粒に起因する特性については十分なものとは言えなかった。
鋼板最表面に残留する比較的微細な結晶粒はそれが再結晶時に鋼板表面近傍で発生したものであると結晶方位がランダムで、鋼板の内部領域で発生した磁気特性にとって好ましい結晶粒とは異なる方位となるため微細な結晶粒に起因する特性に悪影響を及ぼしていると考えられる。
また、鋼板表面に微細な結晶粒が発生する要因は、以下のことが考えられる。要因の一つは、鋼板表面は鋼板製造中の熱処理過程で窒素含有雰囲気と接触するとわずかとはいえ窒化する場合があることである。窒化が起きると鋼板表層のみに微細なAlNが形成し、鋼板表層領域のみの結晶粒成長性が低下することとなる。もう一つの要因は、鋼板製造中の熱処理、特に鋼板の厚さが厚いスラブ〜熱延鋼板の製造過程では、鋼板の内部まで十分に加熱するためには、特に鋼板の表層領域のみが過剰に加熱されることである。このため、硫化物が鋼材内部領域に比べると相対的に微細化し、結果として鋼板表層領域のみの結晶粒成長性が低下することとなる。
興味深いのは、表面の微細粒を抑制するには、単純に上述の表層組織の微細化要因を抑制するように制御するのではなく、鋼板製造の特定の時期では表層組織の微細化要因を強く作用させておく条件を選択する方が、有効となることである。製造条件と関連するメカニズムについては、製造方法の説明において後述する。
本実施形態に係る電磁鋼板は、C、Si、Al、Mn、およびN、P、およびSを含有し、残部:Feおよび不純物を含有する化学組成を有する。さらにAl、P、およびSを含有してもよい。また、さらにNd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種を含有することがある。
Cは、鋼中に固溶Cとして存在して、温間圧延時の動的ひずみ時効による集合組織改善効果を発現することにより、磁束密度を向上させる。その効果を得るために、C量は0.0005%以上とする。一方、C量は0.0050%を超えると微細な炭化物が析出して磁気特性が劣化する。従って、C量は0.0005%以上、0.0050%以下とする。C量は、好ましくは0.0010%以上0.0040%以下である。
Siは、鋼板の固有抵抗を増加させ、渦電流損を低減する作用を呈する。また、Siは、ヒステリシス損を低減する作用も有する。このため、Siを積極的に含有させることが望ましく、Si量は1.0%以上が必要である。一方、Si量が5.0%を超えると、温間圧延での圧延性、および打抜き加工性が低下する。従って、Si量は1.0%以上、5.0%以下とする。Si量は、好ましくは2.0%以上3.5%以下である。
Mnは、鋼の固有抵抗を高め、硫化物を粗大化して無害化する作用を呈する。一方で、鋼板製造工程の冷間圧延までの熱履歴によっては、鋼板表層に微細なMnSを形成し、本発明の特徴に関連する鋼板表層の微細な結晶粒の形態制御にも影響を及ぼすとも考えられる元素である。これらの作用を考慮し、Mn量は0.10%以上とする。一方、Mn量が2.00%を超えると、磁束密度の低下及びコストの上昇を招く。従って、Mn量は0.10%以上2.00%以下とする。Mn量は、好ましくは0.20%以上1.50%以下である。
Nは、AlNを構成する元素として重要な元素となる。鋼板表層で形成されるAlNが本発明の特徴に関連する鋼板表層の微細な結晶粒の形態へ及ぼす影響を考慮しN量は0.0010%以上とする。
一方、N量は0.0050%を超えるとAlNの量が過剰となり磁気特性の劣化を避けることが困難となる。よって、N量は0.0050%以下とする。
なお、N量は、好ましくは0.0010%以上0.0040%以下である。
Alは、製鋼工程において脱酸材として一般的に使用される元素であるが、脱酸はSiやTiなどでも可能で実用化されているため、本発明においてAlの含有は必要ではなくゼロでも構わない。また、鋼板製造工程の熱処理過程で鋼板が窒化すると鋼板表層でAlNを形成し、本発明の特徴に関連する鋼板表層の微細な結晶粒の形態制御にも影響を及ぼすとも考えられる元素であるが、鋼板表層の微細な結晶粒の形態制御は硫化物でも可能であり、この点でも本発明においてAlの含有は必要ではなくゼロでも構わない。
Alは、Siと同様に鋼の固有抵抗を増加させ鉄損を低減させる一方、Al量が過剰になると酸洗の能率低下、ヒステリシス損増加という悪影響が顕著になるため、2.00%以下とする。Al量は、好ましくは1.50%以下である。
Al量の下限は特に限定しないが、鋼板表層の微細な結晶粒の形態制御にAlNを活用する際の効果を考慮すれば、Al量は0.002%以上とすることが好ましい。この効果を積極的に活用するのであれば、Al量は0.010%以上が好ましい。
なお、Al量は、sol.Al量を意味する。
P量が0.0200%超では、冷間圧延時に破断を生じる可能性がある。したがって、P量は、0.0200%以下とする。P量の下限値は、特に制限はないが、脱Pのコスト及び生産性の観点から、0.0100%とすることが好ましい。
S量が0.0050%を超えるとMnS等の硫化物量が多くなり、鉄損が増加する。従って、S量は0.0050%以下とする。S量の下限値は、特に制限はないが、鋼板表層で形成される硫化物が本発明の特徴に関連する鋼板表層の微細な結晶粒の形態へ及ぼす影響を考慮しS量は0.0005%以上とすることが好ましい。さらに脱Sのコスト及び生産性の観点から、0.0010%以上とすることが好ましい。
Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgは本発明においては必須元素ではないが(つまり、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMg少なくとも1種の合計量は0〜0.1000%である。)、これらの元素を含有する鋼板においては、発明の効果が特に顕著になるため、これらの元素を含有する鋼板を対象とすることが好ましい形態となる。
Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgは、硫化物を粗大化し、無害化する作用を呈する。そのため、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計量は、0.0010%以上とすることがよい。Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計量が過度に多すぎると、合金コストが上昇するばかりか、磁性への悪影響も懸念される。そのため、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計量は、0.1000%以下とする。従って、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計量は、0.0010〜0.1000%とする。Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計量は、好ましくは0.0010%〜0.0050%である。
Ca量は、0.0010〜0.0300%が好ましく、0.0010〜0.0200%がより好ましい。
Mg量は、0.0010〜0.0300%が好ましく、0.0010〜0.0200%がより好ましい。
ここで、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgは、少なくとも1種含有すればよいので、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgのうち、1種を含めば、他の元素量は0%であってもよい。
鋼板の残部は、Feおよび不純物元素である。ここで、不純物元素とは、原材料に含まれる成分、または、製造の過程で混入する成分であって、意図的に鋼板に含有させたものではない成分を指す。
本実施形態に係る電磁鋼板は、次の元素の少なくとも1種を含有していてもよい。
Cu:0〜0.20%(好ましくは0超え〜0.20%、より好ましくは0.05〜0.20%)
Ni:0〜0.2%(好ましくは0超え〜0.2%、より好ましくは0.05〜0.2%)
Cr:0〜0.3%(好ましくは0超え〜0.3%、より好ましくは0.05〜0.2%)
Sn:0〜0.20%(好ましくは0超え〜0.20%、より好ましくは0.1〜0.20%)
Ti:0〜0.005%(好ましくは0超え〜0.005%、より好ましくは0.001〜0.003%)
)
無方向性電磁鋼板の絶縁皮膜等を除去する方法としては、例えば、次の方法が挙げられる。
まず、絶縁皮膜等を有する無方向性電磁鋼板を、水酸化ナトリウム水溶液(NaOH:10質量%+H2O:90質量%)に、80℃で15分間、浸漬する。次いで、硫酸水溶液(H2SO4:10質量%+H2O:90質量%)に、80℃で3分間、浸漬する。その後、硝酸水溶液(HNO3:10質量%+H2O:90質量%)によって、常温(25℃)で1分間弱、浸漬して洗浄する。最後に、温風のブロアーで1分間弱、乾燥させる。これにより、絶縁皮膜等が除去された鋼板を得ることができる。
本実施形態に係る電磁鋼板は、鋼板の表面において、微細な結晶粒の形成が抑制される。また、鋼板表面に表出する結晶粒は、鋼板の内部領域にまで到達する形態となる。
さらに、本実施形態に係る電磁鋼板は、鋼板の表面から深さ20μmまでの表層領域(以下、単に「表層領域」とも称する。)のAlNまたは硫化物の形態を好ましい特徴とする。
本実施形態に係る鋼板は、鋼板の表面において、円相当直径30μm以下の結晶粒が占める面積率をSA、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率をSCとしたとき、
SA<15%、SC≧70%
である。
本実施形態に係る鋼板の結晶粒径についての特徴のひとつは、鋼板の表面において微細な結晶粒の形成を抑制していることである。
一般的に微細な結晶粒は磁気特性、特に鉄損にとっては好ましからざる状態であるが、上記結晶粒の面積率の規定は、後述の規定も含めると微細な結晶粒の残存範囲は極表層に限定されたものであり、かつ後述するように結晶粒径の分布が特徴的なものとなるため、この悪影響は比較的小さい。
むしろ、本実施形態に係る鋼板においては、上述の微細な結晶粒の存在形態の特徴は、微細な結晶粒に起因する特性に有利に作用する点で特徴的なものである。
これらを考慮し、本実施形態に係る鋼板においては、鋼板表面における、円相当直径30μm以下の結晶粒が占める面積率SAを15%未満とする。SAは、10%未満、さらには5%未満であれば、微細な結晶粒に起因する特性を改善する効果をより顕著に得ることが可能となる。SAがゼロであることが好ましいことは言うまでもないが、鋼板の表面非定常部として微細な結晶粒が残存する可能性を否定できないこと、さらに、結晶組織を断面で観察するため観察面が結晶粒の極端部であった場合、その結晶粒が粗大なものであったとしても観察される断面積としては小さくなる可能性があることを考慮すると、わずかな領域が計測されることは許容せざるを得ない面もある。
また、鋼板内部の結晶組織を規定する深さについては20μmとしているが、20μmより中心側においても、20μm位置と同様にSDに関する規定を満足するものとなっている。
この規定は、鋼板最表面に表出する微細な結晶粒が鋼板表面近傍から鋼板内部に向かって結晶粒1個〜数個程度の領域に留まる場合に鉄損が悪化する一方で、鋼板最表面に表出する結晶粒のほとんどが鋼板内層に到達する粗大な結晶粒となっている場合に鉄損が改善することに関連するものである。この状況を、鋼板の表面に表出する結晶粒のうち、鋼板の表面から深さ20μmの断面に達している結晶粒の個数割合で規定する。この個数割合は、好ましくは95%以上、さらに100%が好ましいことは言うまでもない。深さ方向の位置として20μmを採用するが、良好な状況では鋼板の1/4厚さ位置としても同様の規定を満足する。
まず、鋼板の観察対象面(表面または表面から20μm深さの位置の断面)を鏡面研磨の後、ナイタールエッチングし、粒界を腐食させて発現させる。
ここで注意するのは、鋼板表面の解釈についてである。この観察方法では粒界を観察するため観察面を鏡面研磨する。これは、一般的な方法で製造された鋼板の表面は、エッチングで現出した粒界を観察する際に、粒界の明確な認識を阻害する程度の粗度を有しており、これを除去する必要があるためである。この凹凸は最大で1μm程度になることが考えられるため、鋼板表面の結晶組織観察のために鋼板表面を最大で1μm程度研磨(除去)することとなる。このため本「鋼板の表面において」は、「厳密な鋼板の表面」ではないことにもなるが、上記研磨後の表面を「鋼板の表面」と解釈するものとする。
同様の観察を、5か所以上の視野数で実施する。そして、得られたすべての観察像から画像処理により、上記のSA、SC、SD、RA、RDを求める。
なお、SA、SC、SDは、観察像の総面積(5か所以上の視野数での総面積)に対する、各対象となる領域の総面積(5か所以上の視野数で算出された各領域の総面積)の割合(%)で算出される。
また、RA、RDは、観察像で観察される対象の結晶粒の結晶粒径を算術平均して算出される。
鋼板表面を鏡面研磨したサンプルを、さらに鋼板表面に垂直かつ圧延方向に平行な面(一般的に「L断面」と呼ばれる)を鏡面研磨し、L断面を上記と同様に観察する。そして、L断面において、鋼板表面位置での圧延方向に沿った観察長さに対して、鋼板の表面から深さ20μmの断面に達している結晶粒の個数の割合を求める。測定は円相当直径100μm以上の結晶粒が20個以上観察される長さを5か所以上で実施するものとする。
本発明は、鋼板表面での微細な結晶粒の制御をベースとするものである。従来の材料において微細な結晶粒が鋼板の極表層にのみ残存する理由は明確ではないが、鋼中析出物の形態変化が一因と考えられる。特に、AlNおよび硫化物について、鋼板表層と内層の形態の差に特徴が現れやすい。逆の見方をすると、これらの析出物の鋼板表内層の形態差に関連して、以下のような鋼板表面での微細な結晶粒の発生を抑制するための好ましい形態が存在する。
また、硫化物については、鋼材を加熱する際の鋼板表層と内層の加熱温度の差が硫化物の溶解析出挙動に差を生じさせていることが考えられる。このような硫化物の溶解に影響を与える工程としてはスラブ加熱工程が考えられる。製造条件との関連は後述するとして、まず製品板におけるAlNおよび硫化物の形態の好ましい状況について説明する。
NA/ND<1.5
となることがよい。
なお、表層領域でのAlNの個数密度上昇は、主として熱処理中の窒化により生じているものと考えられ、AlNのサイズは、内層領域と同等もしくは粗大なものも観察される場合もある。
MA/MD<1.5
となることがよい。
なお、表層領域での硫化物の個数密度上昇は、主として熱処理中の表層の温度の高温化による硫化物溶解により生じているものと考えられ、硫化物のサイズは、内層領域のものより微細なものが観察されることが多い。
同様に、MA/MDについても、好ましくは、1.0<MA/MD<1.5、さらに好ましくは、1.1<MA/MD<1.4とする。
鋼板から、圧延方向かつ板厚方向に沿って切断した切断面(以下「L断面」とも称する)を有する試料を採取し、L断面を鏡面研磨する。次に、走査型顕微鏡(SEM)又は透過型顕微鏡(TEM)により、鋼板の表面から深さ20μm、幅20μmに相当する領域(つまり、鋼板の表面を一辺とする20μm×20μmの領域)を1000〜50000倍率で観察する。
次に、観察画像において、析出物を識別する。AlNの識別は、SEM又はTEM付属機能のEDS(エネルギー分散型X線分光器)の点分析にて実施する。観察される析出物内の中央部に電子線を照射し、得られるスペクトルでAlとNが同時に検出されるものをAlNと判定する。また、硫化物の識別は、SEM又はTEM付属機能のEDS(エネルギー分散型X線分光器)の点分析にて実施する。観察される析出物内の中央部に電子線を照射し、得られるスペクトルでMn、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種とSが同時に検出されるものを硫化物と判定する。この際、検出される金属元素が何であるかは特に区別はしない。
そして、観察視野の面積および観察個数から、AlNおよび硫化物の個数密度を計算する。
なお、本発明では定量的な規定はしないが、鋼板の表面からの深さが40μmである位置よりもさらに鋼板の中心側の任意の領域についても同様の状況にあることは言うまでもない。
本実施形態に係る電磁鋼板を得るための製造方法は、特に制限はないが、次の(1)〜(4)の工程を有する製造方法が好ましい。次の(1)〜(4)の工程を有する製造方法によれば、上記特徴を有する電磁鋼板が得られる。
(2)熱延後の熱延板を、巻き取り温度700〜1000℃で巻き取り、巻き取り温度から650℃までの冷却速度を10℃/分以下とする巻き取り工程
(3)巻き取り後の熱延板を、熱延板焼鈍を実施することなく、圧下率70〜90%で冷延する冷延工程
(4)600℃から750℃までの平均昇温速度を50℃/秒以上、均熱温度950〜1050℃とし、冷延後の冷延板を仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍工程
熱延の素材とするスラブは、次の方法により製出する。まず、転炉、電気炉等により溶製し、さらに必要に応じて真空脱ガス処理して、溶鋼を得る。そして、得られた溶鋼を、連続鋳造または造塊後分塊圧延し、30〜400mm程度の厚さのスラブを製出する。
スラブの化学組成は、基本的には最終製品である電磁鋼板に相当するものとなるが、本発明は、一般的な製法であれば仕上げ焼鈍工程で窒化が生じることも想定しているため、N量については、スラブの化学組成は最終製品(本発明鋼板)の含有量よりも0.0001〜0.004%程度低いものとなる場合がある。このような組成の変化の考慮自体は、一般的に窒化を意識(活用または抑制)して鋼板を製造している当業者において、これを考慮した設計は日常業務ともいえる程度のものであり、困難なものではない。
ここで、スラブの厚さが30〜70mmの範囲である薄いスラブ(いわゆる薄スラブ)であれば、以降の熱延工程において、仕上げ圧延前の粗圧延を省略できる。
スラブ加熱温度を高くするためには外部からの強く加熱することとなるが、スラブは厚さが厚いため最表面は特に高温となりやすい。
巻き取り工程では、例えば、熱延後の熱延板を、コイラーにより巻き取る。
巻き取り温度は、700〜1000℃(好ましくは800〜950℃)とする。さらに巻き取り温度から650℃までの冷却速度を10℃/分以下とする。
巻き取り温度を700〜1000℃と高温にすると、コイルの最表面のみが冷えやすいこともあり、内層部に比べて相対的に熱処理が十分ではなくなるため、後述の熱延板焼鈍を実施しないことと合わせることで、上記同様に、最終的に鋼板の表面のみに微細な結晶粒を適切な形態で残存させることに有利に作用する。
また、巻き取り温度から650℃までの冷却速度を十分に緩冷却とすることで、スラブ加熱で溶解した硫化物を前述の適度な個数密度で析出させることが可能となる。なお、巻き取り温度から650℃までの冷却速度の下限は、生産の効率化を考慮すれば、例えば、0.2℃/分以上とする。
本発明鋼板の製造においては、上記のように、熱延の最終圧延温度を高温とし、巻き取り温度を高温とし、さらに熱延板焼鈍を実施しないことで、冷延および仕上げ焼鈍後の鋼板の表面のみに微細な結晶粒を適切な形態で残存させることに有利に作用する。
また、さらに再加熱工程となる熱延板焼鈍を必要としないことは、エネルギーコストの観点でも有利となる。
冷延工程では、巻き取り後の熱延板を冷延する。
冷延の圧下率は、70〜90%(好ましくは75〜89%)とする。
冷延の圧下率を70〜90%にすると、粒成長に望ましい集合組織の発達が調整される。
仕上げ焼鈍工程では、冷延後の冷延板を焼鈍する。具体的には、冷延板を昇温し、目的とする温度で均熱した後、冷却する。
このような仕上げ焼鈍条件において、鋼板表面の微細な結晶粒が好ましい形態になる理由は明確ではないが、この仕上げ焼鈍条件とすると、600〜750℃の再結晶初期過程を急速に加熱することで表層組織がより微細化されるとともに、その後の950℃以上の高温の熱処理においては、鋼板内部の結晶粒が成長し鋼板表層の微細な結晶粒を蚕食し、最終的に鋼板表面の微細な結晶粒の残存を抑制するのに有利に作用するものと思われる。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、電気機器の各種コア材料、特に、回転機、中小型変圧器、電装品等のモータのコア材料として好適に適用できる。
以下、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板をモータコアに適用する場合について説明する。
本実施形態に係るモータコアは、本実施形態に係る電磁鋼板が積層された形態が挙げられる。この場合、モータコアを構成する鋼板は、打ち抜き前に本実施形態に係る電磁鋼板の特徴を有したものである必要はない。言い換えれば、モータコア用に使用する素材としての鋼板は、本実施形態に係る電磁鋼板の特徴を有したものである必要はなく、最終的にモータコアを構成する鋼板が本実施形態に係る電磁鋼板であればよい。つまり、素材としての鋼板の打ち抜き、積層一体化、さらにコア製造工程において歪取り焼鈍などの必要に応じた熱処理を実施し、最終的にモータコアを構成する鋼板が、本実施形態に係る電磁鋼板として表層領域の微細な結晶粒に関する規定の範囲内となる特徴を有していれば良い。最終的にモータコアを構成する鋼板が本実施形態に係る電磁鋼板に相当する特徴を有していれば、少なくとも表層領域の微細な結晶粒に起因する鉄損に関しての工業的なメリットを得ることが可能である。
さらに、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を打ち抜いて、打ち抜き部材(鋼板ブランク)を作製し、この打ち抜き部材を積層一体化したモータコアが挙げられる。この場合は、モータコアの製造過程で熱処理が実施されなければ、素材の鋼板が有していた表層領域の微細な結晶粒に関する特徴は、モータコアを構成する鋼板にそのまま継承されることになる。結果として、モータコアにおいて表層領域の微細な結晶粒の制御に関しての工業的なメリットを得ることが可能である。また、この例においては、モータコアの製造過程で必要に応じて熱処理を実施すると、素材の鋼板が有していた表層領域の微細な結晶粒に関する特徴が変化する状況が考えられる。熱処理を含めたモータコア製造工程を経て、最終的にモータコアを構成する鋼板が本実施形態に係る電磁鋼板の特徴の範囲内にとどまるものであれば、モータコアにおいて表層領域の微細な結晶粒に起因する鉄損に関しての工業的なメリットを得ることが可能である。ただし、歪取り焼鈍を実施することで、鋼板表層領域に新たに微細な結晶粒が生成する可能性はほとんどないので、素材の鋼板が有していた本発明内の表層領域の微細な結晶粒に関する特徴は、本発明範囲から外れることはほとんどないと考えてよい。
図1は、分割コアの一例を表す模式図である。図1に示すように、モータコア100は、8枚の分割コア用の打ち抜き部材11を円環状に連結し、円環状に連結した打ち抜き部材11を8層に積層して一体化した積層体13として形成されている。分割コア用の打ち抜き部材11は、電磁鋼板に打ち抜き加工が施され、円弧上のヨーク部17と、ヨーク部17の内周面から径方向内側に向かって突出しているティース部15とを備えている。なお、モータコア100は、図1に示すモータコア100を形成する打ち抜き部材11の形状、個数、積層数などに限らず、目的に応じて設計すればよい。
本実施形態に係るモータコアの製造方法は、特に限定されず、通常工業的に採用されている製造方法によって製造すればよい。
以下、本実施形態に係るモータコアの好ましい製造方法の一例について説明する。
本実施形態に係るモータコアの好ましい製造方法の一例は、本実施形態に係る電磁鋼板に、打ち抜き加工を施して打ち抜き部材を得る打ち抜き工程と、打ち抜き部材を積層する積層工程と、を有する。
まず、本実施形態の電磁鋼板を、目的に応じて、ティース部とヨーク部とを有する所定の形状に打ち抜き、積層枚数等に応じて、所定の枚数の打ち抜き部材を作製する。電磁鋼板を打ち抜いて、打ち抜き部材を作成する方法は特に限定されず、従来公知のいずれの方法を採用してもよい。
なお、打ち抜き部材は、所定の形状に打ち抜かれるときに、打ち抜き部材を積層して固定するための凹凸部を形成してもよい。
打ち抜き工程で作成した打ち抜き部材を積層することによりモータコアが得られる。具体的には、ティース部とヨーク部とを有する所定の形状の分割コア用の打ち抜き部材を、所定枚数組み合わせて円環状に連結させ、これを積層する。
なお、積層した打ち抜き部材を固定する方法は、特に限定されず、従来公知のいずれの方法を採用してもよい。例えば、打ち抜き部材に、公知の接着剤を塗布して接着剤層を形成し、接着剤層を介して固定してもよい。また、かしめ加工を適用して、各々の打ち抜き部材に形成された凹凸部を機械的に相互に嵌め合わして固定してもよい。
この熱処理は表層領域の微細な結晶粒の形態を変化させるのに十分なものであるが、素材の鋼板が本発明範囲内にある場合はもちろん、素材の鋼板が本発明範囲内にないものであったとしても、この熱処理後に、コアを構成する鋼板が、本実施形態に係る鋼板の特徴である「表層領域の微細な結晶粒」に関する特徴を有していれば、本実施形態に係る鋼板のメリットを享受することが可能である。
表1に示す化学組成のスラブを、表2に示す加熱温度で加熱し、厚みが40mmになるように粗熱延する。その後、粗熱延板を、表2に示す加熱温度、表2に示す最終圧延温度、圧下率95.5%(板厚40mm→板厚1.8mm)で仕上げ熱延する。
そして、熱延板を、表2に示す巻取り温度で巻き取る。そして、表2に示す冷却速度で巻き取り温度から650℃まで熱延板を冷却する。
次に、巻き取られた圧延板を、表2に示す圧下率で冷延する。
次に、表2に示す、600℃から750℃までの平均昇温速度、均熱温度、均熱時間の条件で、冷延板を焼鈍する。
以上の工程を経て、試験例No.1〜38の無方向性電磁鋼板を得た。
得られた各無方向性電磁鋼板の結晶組織および析出物について、既述の方法に従ってSA、SC,SD、RA、RD、NA、ND、MA、MD、および鋼板の表面に表出する結晶粒のうち、鋼板の表面から深さ20μmの断面に達している結晶粒の個数割合(表中、「粗大結晶粒の個数割合」と表記)を求める。結果を表3に示す。
WsinはB=1.0T、周波数50Hzの正弦波で励磁した際の鉄損であり、Winvはこれに、キャリア周波数5kHz,変調率0.4の高調波を重畳した波形で励磁した際の鉄損である。
耐食性は、各無方向性電磁鋼板から切り出したサンプルの裏面およびエッジ部をシールした後、JIS Z 2371(2000)に規定された塩水噴霧試験を15時間行い、試験後の赤錆発生面積率により評価した。
また、実施例は、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種を適切な範囲で含有する場合、熱延条件(スラブ加熱、最終圧延、巻き取り)が高温域で実施される場合、巻き取り温度から650℃までの冷却速度が低い場合、仕上げ焼鈍での600℃から750℃までの平均昇温速度が高い場合に発明の効果が大きくなることがわかる。
Claims (9)
- 質量%で、
C :0.0005〜0.0050%、
Si:1.0〜5.0%、
Mn:0.10〜2.00%、
N :0.0010〜0.0050%、
Al:0〜2.00%、
P :0.0200%以下、
S :0.0050%以下、
Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種の合計:0〜0.1000%、並びに
残部:Feおよび不純物を含有する化学組成を有し、
鋼板の表面において、円相当直径30μm以下の結晶粒が占める面積率をSA、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率をSCとしたとき、
SA<15%、SC≧70%
であり、さらに
鋼板の表面から深さ20μmの断面において、円相当直径100μm以上の結晶粒が占める面積率SDが90%以上
である無方向性電磁鋼板。 - 前記SCと前記SDが、|SC−SD|≦5%
であり、かつ
鋼板の表面における結晶粒の平均粒径をRA、鋼板の表面から深さ20μmの断面における結晶粒の平均粒径をRDとしたとき、
|RA−RD|/RD≦0.10
である請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 鋼板の表面に表出する結晶粒のうち、鋼板の表面から深さ20μmの断面に達している結晶粒の個数割合が90%以上である請求項1又は請求項2に記載の無方向性電磁鋼板。
- 鋼板の表面から深さ20μmまでの表層領域における、AlNの個数密度をNA、鋼板の表面からの深さが20〜40μmの内層領域における、AlNの個数密度をNDとしたとき、
NA/ND<1.5
である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。 - 鋼板の表面から深さ20μmまでの表層領域における、硫化物の個数密度をMA、鋼板の表面からの深さが20〜40μmの内層領域における、硫化物の個数密度をMDとしたとき、
MA/MD<1.5
である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記化学組成が、さらに、質量%で、Nd、Pr、La、Ce、CaおよびMgの少なくとも1種を合計量で0.0010〜0.1000%含有する
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板。 - スラブを1150〜1280℃に加熱した後、仕上げ圧延時の最終圧延温度950〜1280℃で熱延する熱延工程と、
熱延後の熱延板を、巻き取り温度700〜1000℃で巻き取り、巻き取り温度から650℃までの冷却速度を10℃/分以下とする巻き取り工程と、
巻き取り後の熱延板を、熱延板焼鈍を実施することなく、圧下率70〜90%で冷延する冷延工程と、
600℃から750℃までの平均昇温速度を50℃/秒以上、均熱温度950〜1050℃とし、冷延後の冷延板を仕上げ焼鈍する仕上げ焼鈍工程と、
を有する請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板を積層したモータコア。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板打ち抜き加工を施して打ち抜き部材を得る打ち抜き工程と、
前記打ち抜き部材を積層する積層工程と、
を有するモータコアの製造方法。
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