JP5092352B2

JP5092352B2 - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP5092352B2
Application number: JP2006292404A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 雅昭河野; 智幸大久保; 厚人本田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2007291491A

Description

本発明は、自動車用モータのコア材等に用いて好適な無方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、モータは、小型化・軽量化が強く求められる傾向にあり、特に、ハイブリッド電気自動車のメインモータ等の自動車用モータでは、小型化・軽量化への要求が一段と強くなってきている。斯かるモータの小型化を達成するためには、回転数を高めることが有効であり、この観点から、モータの高周波駆動が指向されている。そのため、高周波モータのコア材に用いられる無方向性電磁鋼板には、高周波での鉄損が低いことが要求されている。そこで、Ｓｉ，Ａｌの含有量を高めて固有抵抗を高めたり、板厚を低減して渦電流損を低減したりする試みがなされている。

このような無方向性電磁鋼板をモータコアに加工する方法としては、打抜加工が一般的であり、例えば、特許文献１には、モータコアを打抜加工する方法が提案されている。

ところで、板厚が薄い無方向性電磁鋼板を、モータのコア材等の形状に打抜加工しようとする場合には、クリアランスを非常に小さく制御する必要があることから、金型の摩耗が大きく、また、チッピングを生じやすい等といった問題があった。

板厚の薄い鋼板の加工に適した他の方法としては、テレビのシャドウマスク等の加工に用いられているエッチング法がある。このエッチングによる加工法は、金型による打抜加工に比べて、
１）高価な金型が不要である、
２）形状の変更が容易であり、微細加工が可能である、
３）加工歪みが入らないため、素材の磁気特性の劣化がなく、モータ効率が向上する
等の優れた特長を有している。そのため、板厚が薄い無方向性電磁鋼板の加工方法として望ましいものと言える。

しかし、従来の無方向性電磁鋼板は、エッチングによる加工を想定していない。そのため、電磁鋼板をエッチング加工する技術についての開示は、今までなされていない。また、従来の無方向性電磁鋼板をエッチング加工したとしても、エッチングが全くできないか、エッチングができる場合でも、加工性が著しく劣るものでしかない。
特開２００３−５３４４５号公報

そこで、本発明の目的は、自動車用モータのコア材等に用いて好適な、エッチング加工性に優れる無方向性電磁鋼板を提供することにある。

発明者らは、無方向性電磁鋼板のエッチング性に及ぼす各種要因について鋭意検討を重ねた。その結果、無方向性電磁鋼板の表面に生成する酸化層がエッチング性を支配している主な要因であり、これを適正に制御することによりエッチング性が向上することを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、Ｓｉ：０．５〜７ｍａｓｓ％、Ａｌ：４ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、鋼板表面から５μｍの領域のＳｉ，Ａｌ系酸化物量が０．５ｍａｓｓ％以下であり、鋼板の片面のみに絶縁被膜が形成されてなることを特徴とするエッチング加工用無方向性電磁鋼板である。

本発明のエッチング加工用無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、Ｃｒ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする。

また、本発明のエッチング加工用無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、Ｃｕ：０．０４ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする。

また、本発明のエッチング加工用無方向性電磁鋼板は、板厚が０．０５〜０．２５ｍｍであることを特徴とする。

本発明によれば、エッチング加工性に優れる板厚の薄い無方向性電磁鋼板を提供することができるので、加工歪のない高精度のモータコアを製造することが可能となり、ひいては、自動車等に用いられるモータの効率向上に寄与することができる。

本発明を開発する契機となった実験について説明する。
エッチング性に及ぼす素材の影響を調査するため、Ｓｉ：２．８５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．３１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％を含有する電磁鋼板用鋼と、Ｓｉ：０．０５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１５ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％を含有するシャドウマスク用鋼を真空溶解炉で溶解し、鋳塊とし、次いで、これらの鋳塊を熱間圧延して熱延板とし、この熱延板は、酸洗してから１００ｖｏｌ％Ｈ_２（露点−１０℃）雰囲気下で８５０℃×３ｈｒの熱延板焼鈍を施し、冷間圧延して板厚０．１０ｍｍの冷間板とした。その後、電磁鋼板用冷延板については、低鉄損を達成するために、２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２（露点−２０℃）雰囲気下で、１０００℃×１０ｓの仕上焼鈍を行い、電磁鋼板とした。一方、シャドウマスク用冷延板については、高温焼鈍を行うとγ変態が生じて結晶粒が粗大化し、材料が軟質となることから、８５０℃×１０ｓの仕上焼鈍を行い、シャドウマスク用鋼板とした。なお、電磁鋼板への絶縁被膜の塗布は、エッチング性の評価には不要であるため行わなかった。

エッチング性の評価は、以下のようにして行った。まず、鋼板表面にレジストを塗布し、その上にフォトマスクを形成する。この時のマスクパターンは、鋼板をロータに相当する直径１０ｃｍの円板に加工するため、内径が１０ｃｍで幅が２０μｍの円環状に露光されるものを用いた。その後、露光、現像して上記２０μｍ幅のフォトレジストを溶解し、次いで、塩化第二鉄水溶液（ボーメ比重４５度、液温４５℃）を用いたスプレーエッチングにより、直径１０ｃｍの円板に加工した。この際のエッチング加工に要した時間からエッチング速度を求めることによりエッチング性を評価した。

その結果、シャドウマスク用鋼板のエッチング速度は１．６μｍ／ｓであったが、電磁鋼板のエッチング速度は０．２μｍ／ｓとなり、電磁鋼板のエッチング性はシャドウマスク用鋼板に比べて大きく劣っていることが明らかとなった。

発明者らは、エッチング加工は、鋼板表面からの腐食反応であることから、電磁鋼板のエッチング速度が低い原因は、何らかの表面状態の違いにあるのではないかと考え、鋼板表層のＳＥＭ観察を行った。その結果、電磁鋼板の表層には、Ｓｉ，Ａｌを主成分とした酸化層が形成されていることが明らかとなった。電磁鋼板には、鉄損低減のために、Ｓｉ，Ａｌが比較的多量に添加されているため、これらの元素が、熱延板焼鈍時および仕上焼鈍時に酸化されて、緻密な酸化層を形成しているため、エッチング性が低下したものと考えられた。

そこで、電磁鋼板の酸化層中のＳｉ，Ａｌ量と、エッチング速度との関係を調査するため、Ｓｉ：２．８０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２５ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．５０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％を含有する鋼を真空溶解炉で溶解し、鋳塊とし、次いで、これらの鋳塊を熱間圧延して熱延板とし、この熱延板は、酸洗し、１００ｖｏｌ％Ｈ_２（露点−５℃）雰囲気下で８５０℃×３ｈｒの熱延板焼鈍を施し、冷間圧延して板厚０．１０ｍｍの冷間板とした。その後、２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２（露点−２０℃）雰囲気下で、１０００℃×１０ｓの仕上焼鈍を行い、さらに酸洗を行って電磁鋼板とした。この際、仕上焼鈍後の酸洗時間を変化させることにより酸化層の厚さを変化させた。

次いで、上記電磁鋼板に、鋼板表面の片面にのみ有機−無機の絶縁被膜を０．５μｍの厚さとなるように塗布し、加熱し、乾燥し、他方の絶縁被膜を形成しない面には、上述したエッチング性の評価と同様、レジストを塗布し、直径１０ｃｍのロータが加工できるように、円板のレジストの外側に２０μｍの幅のレジスト溶解部を作製し、塩化第二鉄水溶液によるスプレーエッチングを行い、ロータ相当の材料加工を行うと共に、エッチング速度を測定した。また、酸化層中のＳｉ，Ａｌ量は、鋼板表層部を５μｍの深さまで電解して、残渣を抽出し、この中に含まれる酸化物としてのＳｉ，Ａｌ量を定量することによって求めた。

図１に、鋼板表面から５μｍの領域における酸化物としてのＳｉ，Ａｌ量と、エッチング速度との関係を示す。これから、Ｓｉ，Ａｌ量を０．５ｍａｓｓ％以下とすることによりエッチング速度を速められることがわかる。よって、本発明においては、鋼板表面から５μｍの領域におけるＳｉ，Ａｌ量を０．５ｍａｓｓ％以下に制御することとした。なお、５μｍより深い領域では、酸化によるＳｉ，Ａｌ系酸化物の生成はほとんど認められなかった。

次に、鋼板表層部のＳｉ，Ａｌ量を制御した材料のエッチング性の安定度を調査するため、Ｓｉ：３．０５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２２ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．６０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％を含有し、Ｃｒを０〜１．０ｍａｓｓ％の範囲で変化させた鋼を１０チャージ溶解し、熱延後、酸洗し、１００ｖｏｌ％Ｈ_２（露点−１０℃）雰囲気下で８５０℃×３ｈｒの熱延板焼鈍を行い、冷間圧延して板厚０．１０ｍｍの冷延板とした。その後、この冷延板は、２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２（露点−２０℃）雰囲気下で１０００℃×１０ｓ間の仕上焼鈍を施してから、３０ｓ間の塩酸酸洗を行った。この塩酸酸洗後の鋼板表層部のＳｉ，Ａｌ系酸化物量を、上述した実験と同様にして測定したところ、０．０１ｍａｓｓ％であった。

次いで、上記酸洗後の鋼板の片面に、有機−無機の絶縁被膜を０．５μｍの厚さとなるように塗布し、加熱し、乾燥させると共に、他の絶縁被膜を形成してない面について、上述した実験と同様にしてエッチング性を評価したところ、鋼板表層部のＳｉ，Ａｌ系酸化物量が０．５ｍａｓｓ％以下となっているにも拘わらず、エッチング性が低い場合があることがわかった。この原因を調べるために鋼板表層の酸化層を調査したところ、エッチング性が低い鋼板表層には、Ｃｒが多く存在することがわかった。この結果から、鋼中のＣｒが鋼板表層部に濃化し、エッチング性に悪影響を及ぼしていることがわかった。

そこで、エッチング速度に及ぼすＣｒの影響を調べるため、表層のＳｉ，Ａｌ系酸化物の量を０．０１ｍａｓｓ％とした鋼板を用いて、鋼中のＣｒ量とエッチング速度との関係を調査し、その結果を図２に示した。図２から、鋼中Ｃｒ量が０．５ｍａｓｓ％を超えるとエッチング速度が急激に低下することがわかる。Ｃｒによりエッチング性が低下する原因は、明確ではないが、Ｃｒが耐食性を向上する元素であることから、エッチング性にも影響を及ぼしたものと考えられる。そこで、本発明では、Ｃｒの添加量は、０．５ｍａｓｓ％以下を好適範囲とした。より好ましいＣｒの含有量は０．１ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下である。
本発明は、上記のような知見に基き開発されたものである。

次に、本発明の無方向性電磁鋼板が有すべき、Ｃｒ以外の成分組成について説明する。
Ｓｉ：０．５〜７ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼板の固有抵抗を高めて鉄損を低減する効果があり、この効果を得るためには０．５ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。一方、Ｓｉの鉄損低減効果は含有量が多いほど向上するが、７ｍａｓｓ％を超える含有は、鋼を硬質化させて製造性を阻害するので、上限を７ｍａｓｓ％とする。なお、Ｓｉ含有量が５ｍａｓｓ％を超えると、酸化層を形成し易くなり、エッチング性が低下するため、上限は５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

Ａｌ：４ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼板の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、４ｍａｓｓ％を超えると、緻密な酸化層を形成し易くなり、エッチング性の低下をもたらすため、４ｍａｓｓ％以下とする。

Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下
Ｍｎは、鋼板の固有抵抗を高める有効な元素であるが、その効果はＳｉ，Ａｌと比較して小さく、５ｍａｓｓ％を超える添加は、コスト上昇を招くだけなので５ｍａｓｓ％以下とする。

Ｃｕ：０．０４ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、Ｃｒと同様の作用効果を有し、鋼板表面に偏析しやすく、エッチングされ難い酸化層を形成するため、０．０４ｍａｓｓ％以下とする。

本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。ただし、本発明の上記効果を害しない範囲であれば、上記以外の成分を不純物程度含有することを拒む物ではない。

本発明の無方向性電磁鋼板は、片面にのみ絶縁被膜を形成したものであることが好ましい。というのは、電磁鋼板をエッチング加工する場合には、鋼板表面にフォトレジストを塗布し、その後、露光、現像を行う必要がある。したがって、絶縁被膜が両面に形成してある場合には、片面の被膜を剥離する工程が必要となるため、エッチング用の鋼板としては好ましくない。ただし、絶縁被膜は両面に塗布しても構わない。

本発明の無方向性電磁鋼板は、板厚が０．０５〜０．２５ｍｍであることが好ましい。板厚が０．０５ｍｍ未満では、鋼板を圧延して製造することが困難となる。一方、板厚が０．２５ｍｍ超では、エッチング加工に要する時間が長くなり、生産性が低下するためである。

次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板は、成分組成を上述した適性範囲に調整するとともに、酸化層内のＳｉ，Ａｌ量を所定の組成範囲内に制御し、その上で、好ましくは鋼板表面の片面に絶縁被膜を形成したものである。すなわち、転炉、電気炉等、通常公知の方法で鋼を溶製し、脱ガス処理等で本発明に適合する成分組成に調整し、引き続き、連続鋳造等、通常公知の方法で鋼スラブとし、熱間圧延を行う。その後、必要に応じて熱延板焼鈍を施してから、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により所定の板厚とし、仕上焼鈍を施す。

上記仕上焼鈍においては、鋼板表層部のＳｉ，Ａｌ量を低くするため、露点はなるべく低く制御するのが好ましい。仕上焼鈍後、鋼板表層部のＳｉ，Ａｌ量が高い場合には、酸洗等を施して、Ｓｉ，Ａｌ量を所定の範囲に低減するのが好ましい。なお、熱延板焼鈍後の酸洗により酸化層は十分に低減することが可能であり、さらに、仕上焼鈍時に露点等を適正に制御して酸化層が形成されないようにすれば、仕上焼鈍後の酸洗は必ずしも必要ではない。仕上焼鈍後の鋼板は、その後、絶縁被膜を塗布・形成するが、両面に塗布した場合には、エッチング加工する前に、エッチング部の被膜を剥離する必要がある。片面のみに絶縁被膜を塗布・形成した場合には、その反対面にレジストを塗布し、露光、現像後、エッチング加工を行うことができる。

表１に示したＮｏ．１〜２８の成分組成を有する鋼を、転炉−脱ガス処理して溶製し、連続鋳造法で鋼スラブとし、熱間圧延して板厚２．３ｍｍの熱延板とした。次いで、この熱延板を、酸洗し、１００ｖｏｌ％Ｈ_２（露点−１０℃）雰囲気下で熱延板焼鈍し、その後、冷間圧延して表１に示した板厚の冷延板とし、この冷延板をさらに、２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２（露点−２０〜−３０℃）雰囲気下で仕上焼鈍し、無方向性電磁鋼板とした。なお、Ｎｏ．２〜２４の鋼板については、仕上焼鈍後、酸洗を行った。また、Ｎｏ．２５〜２８の鋼板については、熱延板焼鈍後、酸洗し、仕上焼鈍後の酸洗は行わなかった。その後、上記無方向性電磁鋼板の片面にのみ有機−無機の絶縁被膜を塗布・形成してから、未塗布側の面に、フォトレジストを塗布し、内径１０ｃｍで２０μｍ幅の円環状にフォトレジストが溶解されるようにマスクを形成し、露光し、現像し、次いで、塩化第二鉄（ボーメ比重４５度、液温４５℃）をスプレーすることにより、エッチング処理を行い、エッチング開始から鋼板に穴が貫通するまでの時間を測定し、エッチング性を評価した。

上記測定の結果を、表１に併記して示した。表１から、成分組成および酸化層中のＳｉ，Ａｌ量を本発明の範囲に制御した場合には、優れたエッチング性が得られることがわかる。特に、上記制御に加えてさらに、鋼中Ｃｒ量、Ｃｕ量を制御した本発明の鋼板のエッチング性は、シャドウマスク用鋼板に近い優れたエッチング性を有している。

表面から５μｍの領域におけるＳｉ，Ａｌ系酸化物量とエッチング速度との関係を示すグラフである。鋼中Ｃｒ量とエッチング速度との関係を示すグラフである。

Claims

Ｓｉ：０．５〜７ｍａｓｓ％、Ａｌ：４ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、鋼板表面から５μｍの領域のＳｉ，Ａｌ系酸化物量が０．５ｍａｓｓ％以下であり、鋼板の片面のみに絶縁被膜が形成されてなることを特徴とするエッチング加工用無方向性電磁鋼板。
上記成分組成に加えてさらに、Ｃｒ：０．５ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載のエッチング加工用無方向性電磁鋼板。
上記成分組成に加えてさらに、Ｃｕ：０．０４ｍａｓｓ％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のエッチング加工用無方向性電磁鋼板。
板厚が０．０５〜０．２５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエッチング加工用無方向性電磁鋼板。