JP4707162B2 - 耐疲労特性に優れた高強度無方向性電磁鋼板とその製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン発電機や電気自動車の主モータ、工作機械用サーボモータなど高速回転を必要とする回転機のロータ用として耐疲労特性に優れかつ磁気特性の優れた高強度無方向性電磁鋼板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無方向性電磁鋼板はモータやトランスに使用される。
【０００３】
近年、環境問題とエネルギー問題で特に回転機の効率改善が求められている。発電機ではタービン式でさらなる高速回転を指向しており、一方、モータでは電気自動車においては主モータが高トルクを得るために高速回転を必要とするブラシレスＤＣモータや、工作機械、ロボットなど応答性を高めるため高速回転を必要とするサーボモータなど、高速回転に対する需要が高まっている。
【０００４】
かかる高速回転の回転機では、回転子 (ロータ) にかかる遠心力が重要な問題となる。特に永久磁石を埋め込むブラシレスＤＣモータやサーボモータでは埋め込んだ磁石がロータの電磁鋼板に対し常に遠心力により圧縮応力をかける結果となり最悪の場合にはロータが疲労破壊を起こす危険性がある。
【０００５】
従来技術では、高強度電磁鋼板として、たとえば特開平２−8346号公報や特開平２−22442 号公報などに提案されているように、Ni、Mn、Nb、Zrなどを添加することで強度を高める方法が知られている。しかしながら、Ni、Nb、Zrなどの添加はコストアップを招くばかりか磁気特性を劣化させる欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、本発明の課題は、磁気特性の劣化を招くことなく、耐疲労特性に優れた、高強度の無方向性電磁鋼板とその製造方法を提供することである。
【０００７】
より具体的には、本発明の課題は表面コーティング後に350MPa以上の疲労限を有し、50Hzで磁束密度1.5Tの鉄損が10W/kg以下という磁気特性にも優れた無方向性電磁鋼板とその製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明者らは種々検討の結果、下記の様な知見を得て、磁気特性の劣化を招くことなく、耐疲労特性に優れた無方向性電磁鋼板およびその製造方法を見出した。
【０００９】
すなわち、具体的には過去の疲労破壊したモータのロータを分析してみると、打ち抜かれた状態すなわち打ち抜き加工による微少な切り欠きをもった状態での疲労限とその鋼材の結晶粒径に相関があることがわかり、特に疲労限が350MPa未満の材料では10000rpmを超えるような高速回転するモータでは切り欠き欠陥による破壊を起こしたり、繰り返し応力による疲労破壊を起こしたりすることが分かった。
【００１０】
これらの破壊を明確にする指標として鋼材化学成分、疲労限、結晶粒径を詳細に調べたところ、下記式を満足することで破壊に対し十分であることが判明した。
Sieq*σW/τ≧4.0
ただし、Sieq＝Si＋酸可溶Al＋1/2Mn(Si、Al、Mnはいずれもそれぞれの化学成分の質量％) 、σW は疲労限MPa で、τはフェライト結晶粒径 (μm)である。
【００１１】
かくして、本発明の要旨とするところは次の通りである。
(1)質量％で、
Ｃ：0.01％以下、Si：0.3％以上2.9％以下、Mn：2.0％以下、
Ｓ：0.001％以上0.01％以下、酸可溶Al：0.7％以上3.0％以下、Ｐ：0.1％以下、
Ｎ：0.0050％以下、残部Feおよび不可避不純物より成る鋼組成を有し、
下記式(1)〜(3)を満たすことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
【００１２】
Sieq*σw/τ≧4.0 ・・・・・(1)
σw≧350 ・・・・・(2)
τ≦95 ・・・・・(3)
ただし、Sieq＝Si＋酸可溶Al＋1/2Mn(すべてSi、Al、Mnはそれぞれの化学成分の質量％)、σWは表面コーティングおよび打ち抜き加工後の疲労限(MPa)、τはフェライト結晶粒径(μm)である。
【００１３】
(2) 上記(1) 記載の鋼組成を有するスラブを1300℃以下の温度で加熱し熱間圧延を行った後、600 〜1000℃で熱延板焼鈍を行うか、あるいは熱間圧延まま、冷間圧延を１回または中間焼鈍をはさんで冷間圧延を２回以上行い、次いで700 〜920℃で仕上焼鈍を行うことを特徴とする、上記(1)記載の式(1)〜(3)を満たす無方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１４】
(3)仕上げ焼鈍後に、有機または、有機および無機の複合物よりなる表面コーティングを鋼板表面に形成させる上記(2)記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
このように、本発明によれば、所定成分よりなるスラブを熱間圧延後、酸洗し冷間圧延し、あるいは熱延板焼鈍し酸洗後冷間圧延し、所定の板厚１回または中間焼鈍をはさみ２回以上の冷間圧延によって所定の板厚に仕上げた後、連続焼鈍にて結晶粒径を制御した後、必要により、無機バインダを含む樹脂あるいは樹脂のみよりなる有機無機の複合あるいは有機コーティングを施す。
【００１６】
まず、本発明の鋼組成の限定理由を以下に示す。なお、本明細書において鋼組成を表す「％」は特にことわりがない限り、「質量％」である。
【００１７】
Ｃ：
Ｃは、0.01％を越えて含有すると磁気時効が起こり磁気特性を劣化させるため0.01％以下とする。好ましくは0.005 ％以下とする。
【００１８】
Si：
Siは、磁気特性改善に必須の元素であるが、3.3 ％を越えて含有させると冷間圧延が困難となるばかりか、モータに加工した際に打抜き破面に微少クラックを生じ易くなるため、3.3 ％以下とした。好ましくは2.5 ％以下である。下限は特に規定されないが、一般には0.5 ％好ましくは1.0 ％である。
【００１９】
Mn：
Mnは、磁気特性改善に有効な元素であるが2.0 ％を越えて添加すると冷間圧延が困難となるため、2.0 ％以下とした。好ましくは、下限は0.1 ％、上限は1.0 ％である。さらに好ましくは0.1 〜0.7 ％である。
【００２０】
Ｓ:
Ｓの添加は逆に磁気特性を劣化させるためＳは0.001％以上0.01％以下とした。好ましくは0.005％以下である。
【００２１】
酸可溶Al：
磁気特性を改善するのに重要な元素であるが、3.0 ％を越えて含有すると硬さの著しい上昇をまねき冷間圧延が困難となるばかりかモータに加工した際に打抜き破面に微少クラックを生じ易くなるため3.0 ％以下とした。好ましくは0.6 ％以上2.5 ％以下である。
【００２２】
Ｐ：
打抜き性を確保するための機械的性質を改善するのに重要であるが0.1 ％を越えて含有すると冷間圧延時の破断を引き起こすため0.1 ％以下とした。好ましくは0.08％以下である。
【００２３】
Ｎ：
磁気特性にとって有害でありAlと結合したAlN を形成し結晶粒を微細化させ磁気特性劣化をまねくのでＮを0.0050％以下とした。好ましくは0.0035％以下である。
【００２４】
Sieq* σW/τ：
Sieqは、磁気特性を改善し、機械的強度を高める元素の当量であり、下記式で表される。この値が高いほど鋼材そのものの疲労に対し効果がある。ただし、過度の添加では冷間圧延が困難となるばかりかその後の仕上げ焼鈍で結晶粒が粗大となり、切り欠き疲労特性は逆に低下する。
【００２５】
Sieq＝ Si(％) ＋酸可溶 Al(％) ＋1/2Mn(％) ・・・(2)
本発明では高速回転するモータでの疲労特性が重要となる。すなわち Sieq*σW/τが4.0 未満の材料は、合金成分不足で母材そのものの疲労特性不良の場合か、合金成分は十分だが粗大結晶粒であって切欠き疲労特性不良の場合で、いずれも本発明の高速回転用部材に適しないため、4.0 以上とした。上限は特に規定しないが、一般には、15以下で十分であり、冷間圧延可能な成分でのSieqが5.0 以下であり結晶粒径τは最小でも１μｍ程度しか工業的には製造できないことと、疲労限σW はフェライト組織では600MPaを超えないことを考慮しても、3000を超えることはない。
【００２６】
本発明によれば、上述のような耐疲労性に優れた高強度無方向性電磁鋼板は、スラブの熱間圧延、熱延板焼鈍後あるいは熱間圧延まま、冷間加工を行い、次いで仕上げ焼鈍を行うことで製造される。以下、これらの製造工程について説明する。
【００２７】
まず、上記鋼組成を有するスラブを用意し、1300℃以下の温度で加熱し通常の熱間圧延を行う。1300℃を越えた加熱温度は鋼中のMnS を溶解させ磁気特性の劣化を招く。圧延性を確保するために、好ましくは1000〜1200℃である。
【００２８】
熱間圧延それ自体は慣用のそれであればよく、特に制限はないが、好ましくは、特開昭56−130425号公報のように行えばよい。
【００２９】
熱間圧延後、場合により、さらなる磁気特性改善のために所望により、熱延板焼鈍を行う。熱延板焼鈍温度は600 ℃未満では効果がなく、1100℃を越えると結晶粒が過度に粗大化し、冷間圧延時に破断等のトラブルを引き起こす。
【００３０】
熱延板焼鈍を行わない場合には、熱間圧延ままで冷間圧延を行う。このときの冷間圧延は１回または中間焼鈍をはさみ２回以上で行う。冷間圧延による仕上げ板厚は、好ましくは、0.2 〜0.7 mmである。
【００３１】
仕上げ焼鈍は、好ましくは連続焼鈍により700〜920℃で行う。仕上げ焼鈍温度700℃未満では再結晶組織が十分得られず磁気特性は不良となり、かつ硬さの上昇を招く。一方、1000℃超では結晶粒が著しく粗大化し、モータコア抜き加工の際、微小な割れを生じ疲労特性が劣るので、実施例で効果が確認されている920℃以下とする。
【００３２】
焼鈍後、打抜性を重視する用途には、鋼板表面に樹脂のみあるいは、樹脂と無機バインダの混合物からなる表面コーティングを施す。この表面コーティングは、慣用のものであればよく、特に制限はない。
【００３３】
【実施例】
Ｃ：0.002 ％、Si：2.3 ％、Mn：0.2 ％、Ｓ：0.003 ％、酸可溶Al：1.9 ％、Ｐ：0.02％、Ｎ：0.0018％、残部Feおよび不可避不純物より成る基本鋼組成を有するスラブ(227 mm 厚、1000mm幅) を1150℃で加熱し通常の熱間圧延を行い、2.0 mm厚の熱延コイルに仕上げた。
【００３４】
熱延板焼鈍を800 ℃で行い、通常の酸洗後、１回の冷間圧延で0.50mm厚の冷延コイルに仕上げた。一部のものは熱延板焼鈍を行わずに、熱間圧延まま冷間圧延を行った。
【００３５】
次いで、850 ℃の連続焼鈍にて再結晶焼鈍である仕上げ焼鈍を行った。かかる再結晶焼鈍後のフェライト結晶粒径は55μｍであった。
【００３６】
このようにして製造した冷延鋼板に対して、アクリル樹脂エマルジョン、クロム酸マグネシウム、ほう酸よりなる膜厚0.4 μｍの表面コーティングをロールコータ方式により鋼板表面に形成させた。
得られた供試材に対して磁気特性および疲労特性を評価した。
磁気特性はJIS C-2550に規定されたエプスタイン試験枠を用い、50Hzで磁束密度1.5Tの時の鉄損で比較し10W/kg以下を良好とした。
【００３７】
疲労特性は引張試験の形状試片を打ち抜き加工により作成し、電磁片振り振動法による疲労試験を行い疲労限を測定した。疲労限は350MPa以上を良好とした。なお、本例(No.1 〜9)では450 〜590MPaの引張強度が得られた。
表１に供試材の鋼組成と共に製造条件、特性をまとめて示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、表面コーティング後に350MPa以上の疲労限を有し、50Hzで磁束密度1.5Tの鉄損が10W/kg以下という磁気特性にも優れた無方向性電磁鋼板が提供されるのであって、その実用上の意義は大きい。

Claims (3)

1. 質量％で、
   Ｃ：0.01％以下、Si：0.3％以上2.9％以下、Mn：2.0％以下、
   Ｓ：0.001％以上0.01％以下、酸可溶Al：0.7％以上3.0％以下、Ｐ：0.1％以下、
   Ｎ：0.0050％以下、残部Feおよび不可避不純物より成る鋼組成を有し、
   下記式(1)〜(3)を満たすことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
   Sieq*σw/τ≧4.0 ・・・・・(1)
   σw≧350 ・・・・・(2)
   τ≦95 ・・・・・(3)
   ただし、Sieq＝Si＋酸可溶Al＋1/2Mn(すべてSi、Al、Mnはそれぞれの化学成分の質量％)、σWは表面コーティングおよび打ち抜き加工後の疲労限(MPa)、τはフェライト結晶粒径(μm)である。
2. 請求項１記載の鋼組成を有するスラブを1300℃以下の温度で加熱し熱間圧延を行った後、600〜1000℃で熱延板焼鈍を行うか、あるいは熱間圧延まま、冷間圧延を１回または中間焼鈍をはさんで冷間圧延を２回以上行い、次いで700〜920℃で仕上焼鈍を行うことを特徴とする、請求項１記載の式(1)〜(3)を満たす無方向性電磁鋼板の製造方法。
3. 仕上げ焼鈍後に、有機または、有機および無機の複合物よりなる表面コーティングを鋼板表面に形成させる請求項２記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。