JP2020094252A - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法、ipmモータのロータコア鉄心 - Google Patents
無方向性電磁鋼板およびその製造方法、ipmモータのロータコア鉄心 Download PDFInfo
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Abstract
Description
質量%で、Si:2.0〜6.0%、Cu:1.7〜4.0%を含有し、さらにAl:3.0%以下、Ni:4.0%以下の一種または二種を合計で0.5%以上を含有し、さらに任意元素として、
Mn:5.0%以下、
P:0.300%以下、
B:0.100%以下、
Nb:1.00%以下、
Mo:1.000%以下、
Bi:0.010%以下、
Sn:0.10%以下、
Sb:0.10%以下、
Cr:0.30%以下、
Ca:0.020%以下、
Mg:0.020%以下、
La:0.020%以下、
Ce:0.020%以下
を含有し、残部Feおよび不純物からなる無方向性電磁鋼板であって、
金属組織がフェライト多結晶であり、
フェライト結晶中にCu粒子を含有し、
Cu粒子の平均粒子径が0.5〜100nm、個数密度が80〜1000個/μm3であり、
Cu粒子について式(1)を満足することを特徴とする、無方向性電磁鋼板。
Nx/Nt≧0.1 ・・・・・式(1)
ここで、
Nx:観察対象となる全Cu粒子のうち、表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子の個数
Nt:観察対象となる全Cu粒子の個数
[2]
表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子について、3DAPFIMによる観察において、面積SCと面積SAが式(2)を満足することを特徴とする、[1]に記載の無方向性電磁鋼板。
SA/SC>0.1 ・・・ 式(2)
ここで、
SC:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度≧NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積
SA:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度<NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積
[3]
引張強さTSが600MPa以上、15mmφスチールダイスを用いて繰り返し打ち抜き加工を繰り返し行う場合に、加工された製品に生ずるバリの高さが50μm以上となる加工回数が10万回以上であることを特徴とする、[1]、[2]のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
[4]
[1]〜[3]3のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板を積層して形成されたことを特徴とする、IPMモータのロータコア鉄心。
本発明の無方向性電磁鋼板は、質量%で、Si:2.0〜6.0%、Cu:1.7〜4.0%を含有し、さらにAl:3.0%以下、Ni:4.0%以下の一種または二種を合計で0.5%以上を含有する。
Siは鋼の固有抵抗を高めて渦電流を減らし、鉄損を低下せしめるとともに、抗張力を高めるが、添加量が2.0%未満ではその効果が小さい。また、添加により加工硬化能が高まるため、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。一方、Siが6.0%を超えると鋼を脆化させ、さらに製品の磁束密度を低下させる。
Alは通常、脱酸や時効性を悪化させる固溶Nの析出物としての固定、さらには鋼の固有抵抗を高めて渦電流を減らし鉄損を低下せしめるために添加される。本発明では、AlはCu粒子の表面に濃化させることで強度と打ち抜き性のバランスの改善をはかる元素として積極的に添加される重要な元素である。AlをCu粒子の表面に十分に濃化させることによる上記効果を得るためには、0.5%以上含有させることが好ましい。また、磁気特性にとって好ましい結晶方位を促進する効果も有するため、好ましくは、1.2%以上とする。一方、過剰に添加すると脆化が問題になるとともに飽和磁束密度を低下させ磁気特性に悪影響を及ぼすため、上限を3.0%とする。
無方向性電磁鋼板においてNiは、固溶体強化元素または耐食性向上元素として添加されることがある。本発明ではNiはCu粒子の表面に濃化させることで上記バランスの改善をはかるために添加する。かかる効果を得るためには、同様の効果を持つAlとの合計で0.5%以上含有させる必要がある。NiをCu粒子の表面に十分に濃化させるためには、好ましくは1.2%以上含有させる。さらに、本発明と同様にCuを添加し、Cu析出による高強度化を図る電磁鋼板において、鋳造性や鋼板表面性状を改善する目的でも添加される。一方、過剰な添加は鋼板の延性を劣化させ通板性が低下する他、磁束密度を低下させるとともに製造工程で不用意な金属間化合物が発生し、通板性や磁気特性を悪化させる場合がある。また過剰な添加は、熱間圧延中の変態を引き起こし磁気特性にとって好ましい結晶方位を阻害する要因となるばかりでなく、飽和磁束密度を低下させ磁気特性に悪影響を及ぼす。このため上限を4.0%とする。好ましくは、3.2%以下である。
質量%で、
Mn:5.0%以下、
P:0.300%以下、
B:0.100%以下、
Nb:1.00%以下、
Mo:1.000%以下、
Bi:0.010%以下、
Sn:0.10%以下、
Sb:0.10%以下、
Cr:0.30%以下、
Ca:0.020%以下、
Mg:0.020%以下、
La:0.020%以下、
Ce:0.020%以下、
これら任意元素は、公知の目的に応じて含有させればよいため、任意元素の含有量の下限値を設ける必要はなく、下限値が0%でもよい。
本発明の無方向性電磁鋼板は、金属組織がフェライト多結晶であり、フェライト結晶中にCu粒子を含有している。そして、Cu粒子の平均粒子径が0.5〜100nm、個数密度が80〜1000個/μm3であり、Cu粒子について式(1)を満足することを特徴とする。
Nx/Nt≧0.1 ・・・・・式(1)
ここで、
Nx:観察対象となる全Cu粒子のうち、表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子の個数
Nt:観察対象となる全Cu粒子の個数
Cu粒子を構成するCu相は鋼板の母相であるFe相より柔らかいため、鋼板の変形に伴いFe相中を移動する転位により容易に変形する。これはいわゆる析出物の「カッティング」と呼ばれる現象が起きやすいということである。このため、単純なCu粒子(表面にNiおよびAlが濃化していないCu粒子)では、析出物粒子による析出強化の効果を効率的に発揮している状況とは言えない。そして、このCu粒子の表面にNiおよびAlが濃化すると、「カッティング」が起きにくくなっていると考えられる。純金属としては特にAlはそれほど固い物質ではないが、Cu相の周囲に濃化し、純金属相としても結晶格子の歪を生じることに加え、その一部がCuやFe、または同じ領域で濃化するNiと合金化することや金属間化合物を形成することで、析出物のカッティングを困難にしていると考えられる。
SA/SC>0.01 ・・・ 式(2)
SC:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度≧NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積
SA:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度<NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積
Ni、Alの濃化については上記と同様に作成したTEM観察試料において、電子ビーム径を0.1nmとしたFE−TEMによるEDSを実施して判定する。まず、Cu粒子が存在しない母相(Fe相)について、Ni、Alについての反射強度を得る。測定は少なくとも10箇所で実施し、各元素毎の平均値をNi、Alの反射強度とする。この反射強度をそれぞれPmNi、PmAlとする。
さらに、Cu粒子についても同様の測定を行う。観察しているCu粒子の中央部に電子ビームを照射し、Ni、Alについての反射強度を得る。この反射強度をそれぞれPaNi、PaAlとする。
そして、PaAl/PmAl≧1.5 または PaNi/PmNi≧1.5を満たすCu粒子を、「表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子」とする。この測定を少なくとも100個のCu粒子について行い、Nx/Ntを求める。
Ni、Alの濃化については三次元アトムプローブ電解イオン顕微鏡(3 dimensional atom probe field ion microscope:3DAPFIM/参考文献:例えば、ふぇらむ,4,474(1999))を用いる。
3DAPFIMでの観察は、針状試料で行われ、針状試料の先端部での原子情報を得ることができる。この先端部領域の大きさは一般的には100nm程度以下である。本発明の測定においては、先端部に少なくとも1つのCu粒子を有する針状試料を作成する。この試料中の少なくとも1つのCu粒子、およびその周囲のFe、Cu、NiおよびAl原子の存在状態を決定し、三次元アトムプローブのデータを得る。そして1つのCu粒子およびその周囲空間について、Cu粒子の断面積が最大となる平面から2nm以内の距離にある原子を該平面上に投影した二次元の濃度分布図を作成する。この分布図上で、「Fe濃度≦90%、かつCu濃度≧NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積をSC、「Fe濃度≦90%、かつCu濃度<NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積をSAとする。SAがゼロでなければ、表面の少なくとも一部にNiおよび/またはAlが濃化しているCu粒子とみなす。これを少なくとも100個のCu粒子について実施し、観察したCu粒子のうち、表面の少なくとも一部にNiおよびAlが濃化しているCu粒子の個数Nxを得る。さらに、上記SCおよびSAの値からSA/SCを求める。
本発明で観察される組織は、Fe相の中に分散して析出する微細なCu粒子の表面にNiまたはAlの濃度がFe相中のNiまたはAlの濃度よりも有意に高い領域が存在するものである。本発明はこの状況を単純に「濃化」という表現を用いて規定する。このような状況は、例えばCu表面へ上記元素が「濃化」し、純金属相または合金相を形成した形態であったり、上記元素を含有する何らかの化合物がCu粒子と「複合析出」したような形態が考えられる。または、NiまたはAlの濃化領域を核としてこれにCu粒子が析出したような形態が考えられる。複合析出する可能性がある化合物としては、例えばAlについては鋼板中の化合物としてよく知られる窒化物や酸化物が挙げられる。ただし本発明の「濃化」の原因となる物質はこれに限らず、Niを含有するものも含め、炭化物や硫化物、さらには金属化合物などの形態も考えられる。現時点では「濃化」の原因が、純粋な金属元素の「偏析」なのか、何らかの化合物の「複合析出」なのかは判明しておらず、これも考慮して、本発明では上位概念である「濃化」という表現をあえて用いており、これは上記測定法により規定されるものである。
本発明におけるこの表現は、Ni、Al原子がCu原子に接していることを限定するものではない。つまり、上述のように「濃化」についての微細構造や形成過程の解明ができておらず、例えばCu粒子の表面がNi、Al(およびFe)ではない別の元素で覆われ、その「表面」、つまり厳密にはCu粒子の表面でない面にNi、Al原子が存在している可能性を否定できない。本発明における上記「表面」は、一般的な解析技術を用いて観察した限りにおいて、Cu粒子を形成するCuを主体とする領域から鋼板の母相であるFe相に至る狭い空間に、Ni、Alが「濃化」した領域が存在していることを意図するものであり、Cuを主体とした領域とNiおよびAlを主体とする領域が空間的に隣接して観察される状況を表現するものである。そして、この状況は上記測定法により規定されるものである。
微細構造および形成過程の実態については、今後の解析技術の発達も含めて解明されることが期待される。
本発明の無方向性電磁鋼板は、前記成分を含む鋼を溶製し、連続鋳造で鋼スラブとし、ついで熱間圧延、冷間圧延および仕上げ焼鈍することによって製造することができる。例えば熱間圧延の製造条件については、スラブ加熱温度として1000〜1250℃、仕上温度として800〜1000℃、巻取り温度として400〜850℃が挙げられる。この熱延板をさらに熱延板焼鈍として、900〜1150℃で120秒以下の処理を施してもよい。その後、例えば冷延率80〜95%の冷間圧延を施し、冷間圧延による加工組織を再結晶させるため、850〜1100℃で120秒以下の仕上焼鈍を実施する。ここで挙げた条件は公知の標準的な条件である。本発明鋼板の製造において以上の標準的な条件を採用にするにあたり注意すべき点は冷間圧延前の最終的な熱履歴である。これも公知の事項に過ぎないが、冷間圧延前の最終的な熱履歴で微細なCu粒子が相当量形成されてしまうと冷間圧延前の鋼板が硬くなる。これは単純に冷間圧延性を低下させ、圧延荷重の増大、鋼板形状精度の低下、圧延中の鋼板の破断などを招く。よって、冷間圧延前の最終的な熱処理ではCu粒子の形成温度域を短時間で通過させCu粒子が形成されないようにするか、Cu粒子の形成温度域で十分な時間保持してCu粒子を粗大化して硬質化を回避するような熱履歴とすべきである。具体的には450〜650℃の滞留時間を20秒以下とすることが好ましい。
本製造法は、冷却条件を温度域A、B、Cでの「平均冷却速度」で説明したが、本発明効果は、冷却過程でのCu析出とNi、Alの拡散と偏析を連続的に制御して達成するものであり、上記各温度域内は連続的な温度降下を伴うものであることが好ましい。すなわち温度域の平均冷却速度が同じであるとしても、一定温度での保持や昇温などを伴うものでないことが好ましい。
Claims (4)
- 質量%で、Si:2.0〜6.0%、Cu:1.7〜4.0%を含有し、さらにAl:3.0%以下、Ni:4.0%以下の一種または二種を合計で0.5%以上を含有し、さらに任意元素として、
Mn:5.0%以下、
P:0.300%以下、
B:0.100%以下、
Nb:1.00%以下、
Mo:1.000%以下、
Bi:0.010%以下、
Sn:0.10%以下、
Sb:0.10%以下、
Cr:0.30%以下、
Ca:0.020%以下、
Mg:0.020%以下、
La:0.020%以下、
Ce:0.020%以下
を含有し、残部Feおよび不純物からなる無方向性電磁鋼板であって、
金属組織がフェライト多結晶であり、
フェライト結晶中にCu粒子を含有し、
Cu粒子の平均粒子径が0.5〜100nm、個数密度が80〜1000個/μm3であり、
Cu粒子について式(1)を満足することを特徴とする、無方向性電磁鋼板。
Nx/Nt≧0.1 ・・・・・式(1)
ここで、
Nx:観察対象となる全Cu粒子のうち、表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子の個数
Nt:観察対象となる全Cu粒子の個数 - 表面の少なくとも一部にNi、Alの一種または二種が濃化しているCu粒子について、3DAPFIMによる観察において、面積SCと面積SAが式(2)を満足することを特徴とする、請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
SA/SC>0.1 ・・・ 式(2)
ここで、
SC:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度≧NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積
SA:「Fe濃度≦90%、かつCu濃度<NiおよびAlの合計濃度」を満足する領域の面積 - 引張強さTSが600MPa以上、15mmφスチールダイスを用いて繰り返し打ち抜き加工を繰り返し行う場合に、加工された製品に生ずるバリの高さが50μm以上となる加工回数が10万回以上であることを特徴とする、請求項1、2のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板を積層して形成されたことを特徴とする、IPMモータのロータコア鉄心。
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