JP3243099B2 - 積層型電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
積層型電磁鋼板の製造方法Info
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Description
低下させることなく磁気特性の向上が可能な積層型電磁
鋼板の製造方法に関する。
る小型高速回転モーターや、インテリジェントビルの蛍
光燈安定器等の小型高効率トランス、更にはロボット制
御用モーター等が急速に注目され始めている。これら電
気機器に用いられる鉄芯は、機器の小型化、高効率化、
あるいは制御精度向上の観点から数百Hz乃至は数kH
zの高周波域で使用されるため、高周波特性に優れるこ
とが不可欠となる。具体的には、周波数の増加に伴なう
鉄損の急激な増加が問題となり、鉄芯材料としては高周
波域での鉄損特性に優れることが第一に重要となる。
板厚を薄くし渦流損を低減することで高周波鉄損に優れ
た材料を提供せんとする技術が、例えば、特開平3−2
23445号公報に開示されている。しかしながら、こ
のような薄手無方向性電磁鋼板では、高周波鉄損は効果
的に低減されるものの、鉄芯製造時に生産性が低下して
しまう。すなわち、ある積み厚の鉄芯を製造しようとす
る場合、それに用いる鋼板の板厚が薄くなると、これに
比例して必要枚数が増加し、必然的に打ち抜き工数と積
層組み工数の増加をもたらしてしまう。
ーカー側で予め数枚の薄手無方向性電磁鋼板を接着絶縁
層を介して積層一体化してしまう方法が有効であり、こ
のような方法を電磁鋼板に応用した技術が例えば特開昭
59−41808号公報や特開昭61−73304号公
報等に開示されている。
無方向性電磁鋼板を接着絶縁層を介して積層一体化し積
層型電磁鋼板とした場合、上記生産性低下の問題は回避
されるものの、打ち抜き性が通常材に比べて極端に低下
するため、打ち抜き型寿命の著しい低下を招いてしま
う。これは製造設備上看過できない問題であるが、積層
型電磁鋼板の打ちぬき性改善に関する技術は未だ提案さ
れておらず、積層型電磁鋼板が広く使用されるために
は、これを解決することがなによりも重要となる。この
発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、打ち
抜き性及び高周波特性が良好な積層型電磁鋼板の製造方
法を提供することを目的とする。
層型電磁鋼板の打ち抜き性を改善すべく鋭意検討を重ね
た結果、以下のような結論を得た。 (1)積層型電磁鋼板で打ち抜き性が劣化するのは、通
常材は単層であり、打ち抜き時にクラックが板厚方向に
連続して伝播するのに対して、積層型電磁鋼板では、ク
ラックが無方向性電磁鋼板層から次の無方向性電磁鋼板
層に伝播していく際に、クラックの伝播が不連続となり
易いためである。
層の間で不連続となり易いのは、クラックが層間を連続
的に伝播しようとした際、伝播先の無方向性電磁鋼板に
存在する結晶粒界が伝播の抵抗として働き、クラックが
層間を連続的に伝播するを妨げるためである。
無方向性電磁鋼板各層の結晶粒界を減らしてやれば、ク
ラックの伝播が層間で連続的となりやすく、積層型電磁
鋼板の打ち抜き性が向上する。その際、問題となるのは
層間の伝播抵抗であるため、これに寄与する各層表層部
の結晶粒界を減らしてやれば良い。各層中央部の結晶粒
界については、ここでのクラックの伝搬は通常の単層材
と変わりないため、特段の工夫は必要ない。
在する結晶粒界を減少させるには、無方向性電磁鋼板の
板面粒径(無方向性電磁鋼板の板面で測定した平均結晶
粒径)を大きくすれば良い。その際、その程度は、積層
数(積層型電磁鋼板に含まれる無方向性電磁鋼板の枚
数)が増え、クラックの伝播の連続性が問題となる層境
界の数が増えるに比例して大きくする必要がある。
であり、無方向性電磁鋼板を接着絶縁層を介して積層す
る積層型電磁鋼板の製造方法において、(1)式を満足
するように積層することを特徴とする打ち抜き性及び高
周波特性に優れた積層型電磁鋼板の製造方法を提供する
ものである。 d≧20×n (1) 但し、d:無方向性電磁鋼板の鋼板面の平均結晶粒径(μm) n:積層数=積層型電磁鋼板に含まれる無方向性電磁鋼板の枚数で n≧2
しさらに、表面に絶縁皮膜を有し、無方向性電磁鋼板の
板厚tsが0.08mm以上0.25mm以下であり、
かつ鋼板中のSiとAl量の和が質量%で1%以上4%
以下であり、積層絶縁層の厚みtR(μm)が1≦tR≦
100×to/mであり(to:積層型電磁鋼板の全体の
厚み(mm),m:積層型電磁鋼板に含まれる接着絶縁
層の層の数)、積層数nが2枚以上であることを特徴と
する打ち抜き性及び高周波特性に優れた積層型電磁鋼板
の製造方法を提供するものである。
対し、積層型電磁鋼板全体の厚みtoが0.35mm以
上0.65mm以下であることを付加したことを特徴と
する打ち抜き性及び高周波特性に優れた積層型電磁鋼板
の製造方法を提供するものである。
板の製造方法において、前記無方向性電磁鋼板が、質量
%で、C:0.005%以下、Si+Al:1〜4%、
Mn:0.1〜1.5%、P:0.15%以下、S:
0.015%以下、N:0.005%以下、残部Fe及
び不可避不純物から実質的になることを特徴とする打ち
抜き性及び高周波特性に優れた積層型電磁鋼板の製造方
法。
おける積層型電磁鋼板について、その層構成を説明す
る。図1は、積層数(積層型電磁鋼板に含まれる無方向
性電磁鋼板の枚数)が3枚の例を模式的に示したもので
あるが、ここで、1が積層型電磁鋼板全体であり、これ
は2の絶縁皮膜と3の無方向性電極鋼板層と4の接着絶
縁層から構成されることになる。次に、本発明の限定理
由及び作用について説明する。
め、積層型電磁鋼板を構成する無方向性電磁鋼板の平均
板面粒径d(μm)を、積層数nとした場合に、d≧2
0×nとする必要があるが、これは以下の検討結果に基
づく。まず、全厚、積層数と無方向性電磁鋼板層の成
分、厚み、並びに接着絶縁層の成分、膜厚に関し、種々
の組み合せで積層型電磁鋼板を作製するとともに、各々
の積層型電磁鋼板において、無方向性電磁鋼板層の板面
粒径を広範に変化させた。
と同一の板厚、鋼成分、板面粒径をもつ通常の単層材を
作製し、両者を連続打ち抜き試験に供することで、打ち
抜き性に対する無方向性電磁鋼板層の板面粒径の影響を
調査した。
を表1に示し、積層型電磁鋼板の実際の構成及び打ち抜
き性の評価結果を図2〜5に示す。ここで、打ち抜き性
については、同一板厚、鋼成分、板面粒径をもつ通常材
の型寿命に対しての積層型電磁鋼板の型寿命の比をもっ
て評価した。具体的には、外径50mmのローター及び
外径80mmのステーターを連続して打ち抜き、バリ高
さが30μmを超えたときを型寿命として上記比を求め
た。
もに、その表面に無機−有機系の絶縁皮膜を1μm塗布
し、打ち抜き試験に供している。図2〜5より、積層型
電磁鋼板の全厚、積層数や、無方向性電磁鋼板層の成
分、厚み、あるいは接着絶縁層の成分、膜厚等には拘わ
りなく、積層型電磁鋼板の打ち抜き性(通常材の型寿命
に対する積層型電磁鋼板の型寿命の比)は無方向性電磁
鋼板層の板面粒径に依存することが解かる。そして、積
層数によって打ち抜き性の値そのものは異なるものの、
いずれの積層数の場合にも、d/n≧20で急激に打ち
抜き性が向上しているのが分かる。すなわち、前述した
ように、板面粒径を積層数との関係で適正に制御するこ
とにより、打ち抜き性すなわち型寿命は著しく向上する
ことが確認された。従って、本発明ではこのような実験
結果に基づき、無方向性電磁鋼板層の板面粒径d(μ
m)を積層数nとの関係でd≧20×nと規定した。こ
こで、このように規定することにより打ち抜き性が改善
されるのは、前述したように板面粒径を積層数に応じて
大きくした場合にクラックの層間の伝播に対して抵抗と
して作用する表層結晶粒界の数が減少し、これによって
層間のクラック伝播の連続性が上昇した結果と考えられ
る。
というためには2以上であることが必要である。また、
図2〜5にも示すように、積層数が増加するに伴って当
然に打ち抜き性の値そのものは低下するが、積層数によ
らずd/n≧20で打ち抜き性が急激に向上するから、
積層数の上限は特に規定する必要はない。ただし、積層
数が5までは、d/n≧20とした場合に通常材の70
〜100%の高い型寿命(すなわち打ち抜き性)が得ら
れる。
保が重要であり、そのためには表面に絶縁皮膜を有する
ことが好ましい。その場合、絶縁皮膜を表面に有しさえ
すれば、これが無いものに比べ打ち抜き性が格段に向上
するため、皮膜の種類や膜厚は特に限定されない。ただ
し、打ち抜き性を一層良好なものにする観点からは、無
機系のものより無機−有機系のもの、あるいは有機系の
ものが好ましく、一方、膜厚については、積層型電磁鋼
板を鉄芯に組んだ際の、鋼板間の絶縁抵抗を確保する観
点から0.3μm以上とすることが望ましい。
らは、上述したように無方向性電磁鋼板層の板面粒径を
適正化することが最も重要であり、さらに表面に絶縁皮
膜を付与することが好ましいが、他の特性を考慮する
と、さらに以下のような条件設定を行うことが好まし
い。
は、これを0.08mm以上0.25mm以下とするこ
とが好ましい。後にもう一度述べるが、積層型電磁鋼板
の製造方法としては、所定厚あるいは所定厚近くとした
無方向性電磁鋼板を用意し、これを接着絶縁層を介して
積層一体化することが一般的であると考えられるが、そ
の場合、無方向性電磁鋼板層の板厚が0.08mm未満
では、素材となる無方向性電磁鋼板を製造する際、冷間
圧延でのミル負荷の著しい増大や鋼板が破断する恐れ等
を生じるため適当でない。一方、板厚が0.25mmを
超えると、渦流損の増大に起因して、無方向性電磁鋼板
層の高周波鉄損が急増し、その結果、積層型電磁鋼板全
体としての鉄損も急増してしまい、好ましくない。
iとAlの量の和を適性化することが好ましい。すなわ
ち、無方向性電磁鋼板にあっては、変形抵抗と鉄損に関
してはSi及びAlの影響が支配的であり、加えて両者
の影響の程度が同程度であるため、SiとAlの量を両
者の和を適正な値とすることが好ましい。具体的には、
Si及びAlの量の和が質量%で1%未満であると固有
抵抗の低下に起因して、渦流損が増加し、無方向性電磁
鋼板層の高周波鉄損が急増する。一方、Si及びAlの
量の和が4%を超えると、素材となる無方向性電磁鋼板
を冷間圧延とする際、ミル負荷の増大や破断の恐れ等を
生じる。従って、Si+Al量は質量%で、1〜4%で
あることが好ましい。
図る観点から、以下のようにSiとAl以外の成分に関
しても以下のように規定することが好ましい。 C:磁気時効の防止や鉄損の一層の低減の点より0.0
05質量%以下が好ましい。
以上の添加が必要であり、またMnの添加により鉄損の
一層の低下がもたらされるが、添加量が1.5質量%を
超えると熱間延性に対する効果が飽和するのみならず磁
束密度が低下する。従って、0.1〜1.5質量%が好
ましい。
層自体の打ち抜き性を向上させるとともに、鉄損の一層
の低下をもたらすため必要に応じて0.15質量%まで
添加してよい。但し、添加量が0.15質量%を超える
と打ち抜き性に対する効果が飽和する。
劣化させるため、0.015質量%以下とすることが好
ましい。 N:鉄損の一層の低減の点より、0.005質量%以下
とすることが好ましい。
して鉄芯打ち抜き時に剥離を生じないだけの強度があれ
ばよく、層間の絶縁抵抗に関しても、一般的な絶縁性を
示せば十分であり、さらに、接着絶縁層の打ち抜き性へ
の影響は前記したように小さいため、特段これの成分組
成や厚さを規定する必要はない。すなわち、接着絶縁層
としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド
樹脂、アクリル樹脂等からなる有機系のものであって
も、コロイダルシリカ、リン酸塩、けい酸ナトリウムや
けい酸カリウムに代表されるアルカリ金属けい酸塩等か
らなる無機系のものであっても、また両者が混合した無
機−有機系のものであってもよい。
に、接着強度や絶縁抵抗、あるいは打ち抜き性の点から
は特に限定されないが、上下にある無方向性電磁鋼板層
の表面粗さが通常は0.2〜0.3μm以上あるため、
これと厚さの均一性や製造安定性を考慮すると、事実上
は1μm以上となる。また厚さが1μm以上あれば、接
着強度上、あるいは層間の絶縁抵抗上、十分である。
型電磁鋼板の占積率(積層型電磁鋼板全体に占める無方
向性電磁鋼板層の合計厚さの割合)が低下し、磁気特性
上好ましくない。占積率としは90%以上が望ましく、
この点を考慮すると接着絶縁層の厚さは、100×tO
/m(μm)(ただし、tO :積層型電磁鋼板の全体の
厚み(mm)、m:接着絶縁層の数)とすることが望ま
しい。
前述したように、通常の単層材との比という点で打ち抜
き性(型寿命)に影響を及ぼさず、加えて、無方向性電
磁鋼板層の間に層間絶縁が施こされているため磁気特性
に対しても影響を及ぼさない。従って、本発明にあって
は積層型電磁鋼板の板厚は特段規定の必要はなく、板厚
の如何に拘らず本発明は適用可能である。しかしなが
ら、薄物電磁鋼板を積層一体化することで打ち抜き工数
と積層組み工数を減らさんとする主旨からは、積層型電
磁鋼板の板厚としては、下限を、汎用的に用いられてい
る無方向性電磁鋼板の板厚の下限である0.35mmと
することが適当である。同様に、汎用的に用いられてい
る無方向性電磁鋼板の板厚の上限である0.65mmを
超えると、新規に専用の打ち抜き型の作製が必要になる
等の問題を生じるため、積層型電磁鋼板の板厚の上限と
しては0.65mmが適当である。
電磁鋼板層としては、成分、厚さ、粒径等、同一のもの
を用いるのが通常であるが、これらが本発明の範囲にあ
る限りは、成分、厚さ、粒径等が異なる無方向性電磁鋼
板層を組み合せて積層型電磁鋼板とすることを除外する
ものではない。同様に、接着絶縁層の成分組成、厚さに
ついても通常は同一とするが、これらを変えて積層型電
磁鋼板を構成することを除外するものではない。
について述べる。本発明にあっては、以上述べたような
積層型電磁鋼板が得られる限りにおいて製造方法につい
て特に限定する必要はないが、製造の安定性や経済性を
考えると、以下に述べる方法が適当である。
性電磁鋼板と接着絶縁層を交互に積層し、これらを冷間
軽圧下圧延にて圧延、一体化し、続いて仕上焼鈍、絶縁
皮膜塗布、焼付けを行なう方法。
鋼板と接着絶縁層を交互に積層し、これらをロール成形
により一体化し、続いて仕上焼鈍、絶縁皮膜塗布、焼付
けを行なう方法。
した無方向性電磁鋼板と接着絶縁層を交互に積層し、こ
れらをロール成形により一体化し、続いて絶縁皮膜塗
布、焼付けを行なう方法。
成形の後、あるいは絶縁皮膜塗布、焼付けの後、歪取焼
鈍を行なう方法。
て、所定厚を有する無方向性電磁鋼板焼鈍板を作製し、
これと接着絶縁層を交互に積層し、ロール成形により一
体化した後、絶縁皮膜塗布、焼付けを行なうことで、表
3、4に示すような積層型電磁鋼板を得た。
当っては、仕上焼鈍温度を変化させることで、これの板
面粒径を種々変化させた。また、絶縁皮膜に関しては、
無機−有機系のものを膜厚1μmなるよう塗布した。続
いて、これら積層型電磁鋼板の磁気特性と打ち抜き性を
評価した。
80mmのリング状試料を用い、高周波特性が重要なこ
とから、周波数400Hzでの磁束密度B10と鉄損W
10/400を測定した。なお、鉄損の算出に当っては、積層
型電磁鋼板の重量の大部分は無方向性電磁鋼板層に由来
することから、測定された損失の値を積層型電磁鋼板の
全重量で除することにより求めた。一方、磁束密度に関
しては、実用上の観点より、接着絶縁層も含めて積層型
電磁鋼板の断面積を実測し、これで磁束量を除すること
により算出した。
同一板厚、同一鋼成分、同一粒径を持つ通常の単層の無
方向性電磁鋼板を作製し、同じく表面に無機−有機系の
絶縁皮膜を膜厚1μm塗布した後、これと積層型電磁鋼
板を同一条件で打ち抜き、そのときの打ち抜き型寿命の
比をもって評価した。すなわち、積層型電磁鋼板と通常
の単層材につき、外径50mmのローターと外径80m
mのステーターを連続して打ち抜き、バリ高さが30μ
mを超えたときの累積打ち抜き回数をもって型寿命と
し、両者の型寿命の比を算出した。かくして得られた積
層型鋼板の磁気特性と通常材に対する打ち抜き型寿命の
比を表3、4に示す。
0以上、すなわちd≧20×nであれば、d/nの値が
20未満、すなわちd<20×nの場合に比較して、型
寿命比(すなわち打ち抜き性)が格段に優れたものとな
ることが確認された。さらに、無方向性電磁鋼板の板厚
tS が0.08mm以上0.25mm以下であり、かつ
鋼板中のSiとAl量の和が重量%で1%以上4%以下
であり、積層絶縁層の厚みtR (μm)が1≦tR ≦1
00×tO /mであれば、打ち抜き性に加えて、優れた
磁束密度と鉄損が得られることが確認された。また、積
層数nが5以下であれば通常材の70%以上の打ち抜き
型寿命が確保されることが確認された。
は、打ち抜き型寿命が60%以下であったり、鉄損が2
1w/kg以上と過大であったり、あるいは磁束密度と
鉄損、両者のバランスに劣っていたりしてることが確認
された。
鉄芯作製時の打ち抜き工数や積層組み工数の増大といっ
た生産性の低下をきたすことなく、打ち抜き性及び高周
波特性に優れた積層型電磁鋼板をえることができ、その
工業的価値は極めて高い。
た模式図。
寿命と無方向性電磁鋼板層の板面粒径との関係を示す
図。
寿命と無方向性電磁鋼板層の板面粒径との関係を示す
図。
寿命と無方向性電磁鋼板層の板面粒径との関係を示す
図。
寿命と無方向性電磁鋼板層の板面粒径との関係を示す
図。
性電磁鋼板層、4……接着絶縁層。
Claims (2)
- 【請求項1】 無方向性電磁鋼板を接着絶縁層を介して
積層する積層型電磁鋼板の製造方法において、(1)式
を満足するように積層し、表面に絶縁皮膜を有し、無方
向性電磁鋼板の板厚tsが0.08mm以上0.25m
m以下であり、かつ鋼板中のSiとAl量の和が質量%
で1%以上4%以下であり、積層絶縁層の厚みtR(μ
m)が1≦tR≦100×to/mで(to:積層型電磁
鋼板の全体の厚み(mm),m:積層型電磁鋼板に含ま
れる接着絶縁層の層の数)、積層数nが2枚以上であ
り、積層型電磁鋼板全体の厚みtoが0.35mm以上
0.65mm以下である打ち抜き性及び高周波特性に優
れた積層型電磁鋼板の製造方法。 d≧20×n (1) 但し、d:無方向性電磁鋼板の鋼板面の平均結晶粒径(μm) n:積層数=積層型電磁鋼板に含まれる無方向性電磁鋼板の枚数で n≧2 - 【請求項2】 前記無方向性電磁鋼板が、質量%で、
C:0.005%以下、Si+Al:1〜4%、Mn:
0.1〜1.5%、P:0.15%以下、S:0.01
5%以下、N:0.005%以下、残部Fe及び不可避
不純物から実質的になることを特徴とする請求項1に記
載の打ち抜き性及び高周波特性に優れた積層型電磁鋼板
の製造方法。
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