JP4273621B2

JP4273621B2 - 高速小型モータ用電磁鋼板

Info

Publication number: JP4273621B2
Application number: JP2000096644A
Authority: JP
Inventors: 厚人本田; 修近藤; 正樹河野; 雅昭河野; ゆか小森
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001279402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁鋼板に関し、特に、高速小型モータに用いて好適な鋼板を提案しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、ＣＤプレーヤーやＭＤプレーヤー等のように、高速回転する小型モータが組み込まれた電気機器について、携帯する機器が急速に普及してきた。このような携帯型の電気機器では、限られたバッテリーでモータを駆動しなければならないから、バッテリーの消費電力を抑え、機器を長時間使用可能とするために、モータの高効率化が求められている。モータを高効率化するには、モータの構造や永久磁石の素材を変更することも考えられるが、鉄心に用いられている電磁鋼板の磁気特性を高めることも重要である。
【０００３】
従来、かような小型モータの鉄心には、Siを3.5mass ％程度含有する、安価な無方向性電磁鋼板が用いられてきた。かような通常の無方向性電磁鋼板は、安価な点や打ち抜き加工が良好である点にはメリットがあるが、高効率化を目指す場合には、今なお改良の余地が残されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は、上述した高速小型モータに求められている高効率化を、打ち抜き加工性の劣化等の弊害を伴うことなしに達成し得る、新規な電磁鋼板を提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、種々の鉄心材料を用いてモデルのモータ（DC 12V、3 相、8 極、出力1 W ）を作成し、実際にモータ効率を調査することにより、鉄心材料を評価した。その結果、モータ効率を80％以上にするためには、商用周波数における鉄損特性のみならず、高周波域での鉄損を低減することが重要であることを見出した。また、安定してモータ効率を80％以上にするためには、素材の平均結晶粒径を大きく、かつ破断伸びを小さくすることが肝要であることを見出した。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００６】
すなわち、この発明は、
Si：2.5 〜10mass％及び
Cr：1.5 〜20mass％
を含有し、Ｃ及びＮを合計量で0.01mass％以下に低減し、更に、Ｂ量をＣ量及びＮ量との関係で、Ｂ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10を満足する範囲とし、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が50μΩcm以上で、平均結晶粒径が50μm 以上、破断伸びが15％以下で、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつW_10/1000で40W/kg以下、B₅₀ が1.50 T以上であることを特徴とする高速小型モータ用電磁鋼板である。
【０００７】
また、この発明は、
Si：2.5 〜10mass％、
Cr：1.5 〜20mass％及び
を含有し、かつ、
Ｃ及びＮを合計量で0.01mass％以下に低減し、更に、Ｂ量をＣ量及びＮ量との関係で、Ｂ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10を満足する範囲とし、かつ、
Alよりなる群、
Mn及びＰから選ばれる１種又は２種よりなる群、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cu、Coから選ばれる１種又は２種以上よりなる群
の１群又は２群以上の成分を、Alは5 mass％以下、Mn及びＰはそれぞれ1 mass％以下、Sb及びSnはそれぞれ1 mass％以下、Ni及びCoはそれぞれ5 mass％以下、Cuは1 mass％以下の範囲で含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が50μΩcm以上で、平均結晶粒径が50μm 以上、破断伸びが15％以下で、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつW_10/1000で40W/kg以下、B₅₀ が1.50 T以上であることを特徴とする高速小型モータ用の電磁鋼板である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をより具体的に説明する。
この発明の鋼板は、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつ、W_10/1000で40W/kg以下を満足させることが必要である。発明者らの研究によるモデルモータ評価により、モータ効率を80％以上とするためには、素材が、鉄損W_15/50の値だけでなく、W_10/1000の値についても良好な特性を有することが必要であることを見出した。図１に成分組成を変化させることにより、鉄損特性を変えた種々の鋼について、モータ効率を測定した結果を示す。この図１より、モータ効率を80％以上にするためには、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつ、W_10/1000で40W/kg以下を満足させることが必要であることが分かる。これは、高速で回転する小型モータの鉄心材料については、商用周波数のみならず、高周波域での鉄損を低減することが重要であることを意味している。
【０００９】
ただし、これだけでは安定してモータ効率80％以上を達成することはできず、平均結晶粒径が50μm 以上、かつ、破断伸びが15％以下であることが、実機におけるモータ効率を安定して80％以上にするために必要である。
高速小型モータにおいては、鉄心材料は非常に過酷な打ち抜き加工が施される。この打ち抜き加工により鋼板にはせん断歪が導入され、このせん断歪が大きい材料では、その歪に起因して実際のモータでは損失が大きくなり、高効率が得られない。したがって、素材のエプスタイン評価である鉄損値で良好な特性を有している鋼板であっても、このエプスタイン試験は、試験片に加えられた歪の影響を受けにくい試験であるため、実際のモーター効率が良好であるとは限らなかった。そこで、この発明の鋼板では、平均結晶粒径を50μm 以上、破断伸びを15％以下にそれぞれ限定し、結晶粒径を大きく、破断伸びを小さくすることにより、打ち抜き加工によるせん断加工端面近傍の歪を小さし、よってモータ効率80％以上を達成しているのである。平均結晶粒径、破断伸びがそれぞれ50μm 以上、15％以下の範囲を外れる場合は、実際のモータ効率80％以上が得られない。より好ましい範囲は、平均結晶粒径が80μm 以上、破断伸びが10％以下である。このように、平均結晶粒径及び破断伸びを所定の範囲にする具体的手段としては、例えば、後述する成分調整による方法がある。
【００１０】
この発明の鋼板は、磁束密度が高ければ、効率の改善、機器の小型化が可能となるために、できるだけ磁束密度が高いほうがよい。したがって、この発明では磁束密度を、B₅₀ が1.50 T以上とするのが好ましい。
【００１１】
優れた高周波鉄損を達成するには固有抵抗を高めることが必要であり、この発明の鋼では、50μΩcm以上が望ましい。50μΩcmより固有抵抗が低いと、板厚をいかに薄くしても所望の高周波鉄損は得られないためである。
【００１２】
この発明の成分の鋼板においては、板厚を減じれば高周波鉄損特性改善の効果を促進し、ひいてはモータ効率を向上させることができるが、この減厚の効果を格段に得るためには、板厚を0.35mm以下とすることが有効である。ただし、0.01mmより薄くするには、製造コストが高くなるばかりか、その鋼板の取扱いに格段の注意が必要で、製品製造のコストも高くなるために、板厚の範囲を0.01mm以上、0.35mm以下とするのが好ましい。更に好ましくは、0.02〜0.25mmである。
【００１３】
この発明の鋼板の成分組成範囲は次のとおりである。
Siは、単独でも鋼の固有抵抗を上昇させるが、更に、Crとの相乗効果によって固有抵抗を大幅に上昇させ、特に高周波域での鉄損を低減するのに有効な成分である。Si量が2.5 mass％未満ではCrやAlを併用しても磁束密度を余り犠牲にせずに50μΩcm以上の固有抵抗を得るには至らず、このため、良好な高周波磁気特性は得られない。一方、10mass％を超えると、Crを含有させても通常圧延可能なまでの靱性が確保できないので、Siの含有量の範囲は、2.5 mass％以上、10mass％以下、好ましくは、2.5 mass％以上、7 mass％以下、より好ましくは、3.5 mass％以上、5 mass％以下と規定する。
【００１４】
CrはSi及びAlとの相乗効果によって鋼の固有抵抗を大幅に向上させて、特に高周波域での鉄損を低減し、更には耐食性を向上させる基本的な合金成分であり、しかも、3.5 mass％以上のSi含有量の場合、又は3 mass％以上のSi含有量かつ0.5 mass％を超えるAl含有量の場合であっても通常の圧延可能な程度の靱性を得るのに極めて有効であり、その観点からは2 mass％以上を要する。Si量やAl量が上記の場合よりも少ないときには、Cr量を更に減じても加工性は確保できるが、Cr含有による加工性向上効果を発揮させ、かつ、鋼の固有抵抗を50μΩcm以上とするためには、1.5 mass％以上のCrが必須である。一方、20mass％を超えると靱性向上の効果が飽和するとともに、コスト上昇を招くので、Crの含有量の範囲は、1.5 mass％以上、20mass％以下、好ましくは、2 mass％以上、10mass％以下、より好ましくは、3 mass％以上、7 mass％以下と規定する。
【００１５】
Ｃ及びＮは、電磁鋼板の靱性を劣化させるために、できる限り低減するのが好ましく、その許容量はこの発明のCr量、Si量及びAl量の場合には、高靱性を確保するために合計量で0.01mass％以下に抑える必要がある。好ましくはＣ及びＮをそれぞれ0.005 mass％以下に抑える。Ｃ及びＮをそれぞれ0.005 mass％以下低減させることで、TiやNb等のＣ固定元素を添加することなしに冷延性を確保でき、しかも、低周波域から高周波域までの磁気特性に優れる鋼板が得られる。より好ましくは、それぞれ0.003 mass％以下である。更に好ましくはそれぞれ0.0015mass％以下がよい。
【００１６】
Ｃ及びＮ以外の不純物量は特に限定されないが、一般の珪素鋼と同様に、磁気特性及び加工性を良好に保つためには、以下の範囲に制限することが重要である。Ｓは0.005 mass％以下、好ましくは0.002 mass％以下、より好ましくは0.001mass％以下がよい。Ｏは0.005 mass％以下、好ましくは0.003 mass％以下、より好ましくは0.0015mass％以下がよい。Ｖは0.005 ％以下、好ましくは0.002 mass％以下、より好ましくは0.0015mass％以下がよい。その他、La、Mg等も極力低減させることが好ましい。
【００１７】
この発明の無方向性電磁鋼板は、より好ましくはＢ量を、鋼中のＣ量、Ｎ量に応じて
Ｂ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10 （mass％）
の式を満足させる範囲とする。
Ｂは、粒界に偏析し、粒界強度を高めることで破断伸びを増加させる作用があるが、この発明の鋼板では、かかるＢの作用は好ましくない。すなわち、この発明の鋼板から高速小型モータ用鉄心を作製するときには、鋼板に過酷な打ち抜き加工が施される。ここで、素材鋼板の破断伸びが大きい場合は、打ち抜き加工による剪断加工端面の歪が大きくなる。このように剪断加工端面の歪が大きい材料では、鉄心加工して実際のモータに組み込んだときに、損失が大きくなり、高効率が得られない。そこで、この発明では、不純物として鋼中に含まれる場合であっても、Ｂ量を低減する。また、Ｃ量、Ｎ量が多いほどＢの粒界偏析による破断伸びの増加効果が促進されるため、この発明では、Ｂ量を、Ｃ量、Ｎ量に応じてＢ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10 （mass％）を満足させる範囲とする。
【００１８】
この発明の無方向性電磁鋼板は、上述したSi、Crに加えて、
Alよりなる群、
Mn及びＰから選ばれる１種又は２種よりなる群、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cu、Coから選ばれる１種又は２種以上よりなる群
の１群又は２群以上の成分を含有させることができる。
【００１９】
Alは、Siと同様にCrとの相乗効果によって鋼の固有抵抗を大幅に向上させ、高周波域での鉄損を低減するのに有効な成分であるので、この発明では、必要に応じてAlを含有させることができる。しかし、Al量が5 mass％を超えると、コスト上昇を招くうえに、この発明のようにSiを2.5 mass％以上含有する鋼では、Crを多量に含有させても通常の圧延が可能なまでの靱性が確保できないので、Alの含有量は5 mass％以下とする。Alの下限は特に限定する必要がないが、脱酸や結晶粒成長性の改善のために0.005 〜0.3 mass％程度を含有させることがある。更に、Alを積極的に固有抵抗の増大のために活用するときは、この発明のようにSiが2.5 mass％以上含有されている鋼ではAlが0.5 mass％未満では固有抵抗を更に上昇させるに十分な効果が得られない。したがって、好ましくはAlの含有量は0.05mass％以上、5 mass％以下、より好ましくは0.5 mass％以上、3 mass％以下である。
【００２０】
Mn及びＰは、Fe−Cr−Si系合金に更に添加することにより、一層の固有抵抗の上昇を与えることが知られている。これらの成分の添加により、この発明の趣旨が損なわれることなく、更なる鉄損の低減が達成できる。そこで、この発明では、Mn、Ｐの中から選ばれる1 種又は2 種を含有させることができる。とはいえ、これらの成分を大量に添加するとコスト上昇を招くので、それぞれの添加量は1mass％を上限とする。より好ましくは0.5 mass％以下がよい。
【００２１】
Sb及びSnは、いずれも集合組織を改善する作用を有し、それにより製品の磁気特性向上に寄与する。したがって、この発明では、Sb及びSnから選ばれる1 種又は2 種を、それぞれ1 mass％以下の範囲で添加させることができる。Sb量やSn量が1 mass％を超えると効果は薄れ、また、コストの上昇を招くことからSb量、Sn量の上限は1 mass％とする。なお、Sb量、Sn量の下限は特に限定するものではないが、前述したSb、Snの添加効果を十分に発揮させるためには、それぞれ、0.001 mass％以上を添加することが好ましい。
【００２２】
Ni及びCuは、いずれも磁気特性を改善する作用を有する。また、延性−脆性遷移温度を下げて、加工性を向上させる。更に、結晶粒径を細粒化する作用を有するため、渦電流損を低減させる効果がある。また、いずれも製品の耐食性、耐候性を改善する作用を有する。したがって、この発明では、所望の諸特性に応じて、NiやCuを含有させることができる。Ni量が5 mass％を超える場合やCu量が1 mass％を超える場合は、いずれも、前述の効果が飽和するばかりか、飽和磁束密度を著しく低下させるため、また、延性を劣化させ、更には、コスト上昇を招くことから、Ni、Cuの含有量の上限はそれぞれ5 mass％、1 mass％とする。なお、Ni量、Cu量の下限は特に限定するものではないが、前述したNi、Cuの添加効果を十分に発揮させるためには、それぞれ、0.005 mass％以上を含有させることが好ましい。
【００２３】
Coは、磁束密度を高め、製品の磁気特性を向上させる作用を有する。したがって、この発明では、Coを含有させることができる。Co量が5 mass％を超える場合、コスト上昇を招くことから、Co含有量の上限は5 mass％とする。なお、Co量の下限は特に限定するものではないが、前述した添加効果を十分に発揮させるためには、0.005 mass％以上を含有させることが好ましい。
【００２４】
この発明の無方向性電磁鋼板は、以下の方法により製造することができる。
前述した成分組成範囲に調整された素材を、連続鋳造又は造塊−分塊圧延によりスラブとし、又は、薄スラブ連続鋳造法を用いて、厚みの薄いスラブを製造する。得られたスラブは、加熱保持後に熱間圧延に供するか、また、CC-DR 法やHCR 法のように、連続鋳造時の顕熱を保持したまま加熱することなく熱間圧延に供することができる。
【００２５】
その後の熱間圧延は、極力薄く圧延することによって、次工程の冷間圧延ないしは温間圧延における加工性、すなわち圧延性を良好にすることができる。そのための熱延板の厚みは3 mm以下、好ましくは2.5 mm以下、より好ましくは2.0 mm以下とする。
【００２６】
熱間圧延後は、必要に応じて熱延板焼鈍を行う。熱延板焼鈍を行うことにより、圧延された素材の集合組織が改善され、鉄損特性の向上に有利に作用する。
この熱延板焼鈍条件は、例えば、温度700 〜1100℃、時間1 秒〜2 時間で行う。熱間圧延後又は必要に応じて行った熱延板焼鈍後は、酸洗もしくはショットブラスト等により熱延スケールを除去した後に、冷間圧延や温間圧延を行う。
【００２７】
以上のような冷間圧延や温間圧延は、途中焼鈍を含む２回以上の圧延により行う。途中焼鈍を行うことは、圧延材の集合組織の改善を通じて磁気特性の向上に有利に作用する。また、この冷間圧延や温間圧延の作業性を改善することができる。途中焼鈍の条件は、例えば、温度600〜1100℃で時間１秒〜10分の範囲とする。
ここで、冷間圧延及び温間圧延は、コストの面からできるだけ低い温度とすることが好ましい。温間圧延を行う場合は、300 ℃程度以下の温度とすることが望ましい。
【００２８】
冷間圧延、温間圧延の後は、仕上げ焼鈍を施し、更に絶縁被膜を被成して製品とする。これらの仕上げ焼鈍の条件、絶縁被膜の被成条件に関しては、通常の電磁鋼板や電磁ステンレス鋼板で常用される方法と同様にすればよい。さらに素材成分を調整すること及び／又は仕上げ焼鈍の温度条件を制御することにより、平均結晶粒径を50μm 以上にすることができる。
【００２９】
【実施例】
表１に示す成分組成を含み、残部が鉄及び不可避的不純物よりなる鋼を溶製し、連続鋳造によりスラブとし、熱間圧延により板厚2.0 mmの熱延板とした。これらの熱延板のスケールを除去した後に、板厚0.70mmまで冷間圧延を行い、850 ℃で10秒間の中間焼鈍を水素・窒素混合雰囲気中で行った。これらの鋼板を更に冷間圧延によって板厚0.20mmとし、900 ℃で10秒間の最終焼鈍を水素・窒素混合雰囲気中で行い、絶縁被膜を付与した。得られた製品をエプスタイン試料に切り出し、JIS C 2550(1975 年) に準じて磁気特性を測定した結果を、モータに組み込んだ場合のモータ効率等と共に表２に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表２から明らかなように、この発明の要件である固有抵抗、粒径、鉄損値及び破断伸びを満たす例は、優れた実機モータ効率が格段に優れている。
【００３３】
【発明の効果】
この発明の方向性電磁鋼板は、高速小型モータ用としてモータ効率80％以上を達成可能であり、省エネルギーの観点からその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 50Hzにおける鉄損特性及び1 kHz における鉄損特性が、モータ効率に及ぼす影響を示すグラフである。

Claims

Si：2.5 〜10mass％及び
Cr：1.5 〜20mass％
を含有し、Ｃ及びＮを合計量で0.01mass％以下に低減し、更に、Ｂ量をＣ量及びＮ量との関係で、Ｂ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10を満足する範囲とし、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が50μΩcm以上で、平均結晶粒径が50μm 以上、破断伸びが15％以下で、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつW_10/1000で40W/kg以下、B₅₀ が1.50 T以上であることを特徴とする高速小型モータ用電磁鋼板。
Si：2.5 〜10mass％、
Cr：1.5 〜20mass％及び
を含有し、かつ、
Ｃ及びＮを合計量で0.01mass％以下に低減し、更に、Ｂ量をＣ量及びＮ量との関係で、Ｂ≦０.0015 −（Ｃ＋Ｎ）／10を満足する範囲とし、かつ、
Alよりなる群、
Mn及びＰから選ばれる１種又は２種よりなる群、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cu、Coから選ばれる１種又は２種以上よりなる群
の１群又は２群以上の成分を、Alは5 mass％以下、Mn及びＰはそれぞれ1 mass％以下、Sb及びSnはそれぞれ1 mass％以下、Ni及びCoはそれぞれ5 mass％以下、Cuは1 mass％以下の範囲で含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が50μΩcm以上で、平均結晶粒径が50μm 以上、破断伸びが15％以下で、鉄損がW_15/50で2.0W/kg 以下、かつW_10/1000で40W/kg以下、B₅₀ が1.50 T以上であることを特徴とする高速小型モータ用の電磁鋼板。