JP6984998B2 - 高性能モータ用無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、高性能モータの鉄心の素材に用いられる無方向性電磁鋼板に関する。

ハイブリッド自動車のパワートレインシステムの進化とともに、駆動モータ、発電機モータには、さらなる小型化・高速回転化が求められてきている。モータが高速で回転すると、鉄心に使用される電磁鋼板はより高周波で励磁されることになり、鉄心内で発生するエネルギーロス（鉄損）が加速度的に増加するため、燃費の改善、発熱防止の観点から、高周波での鉄損の低い薄手の無方向性電磁鋼板の需要が益々高まった。しかるに電磁鋼板の厚みが薄くなると、表面部分の比率が高まるため、電磁鋼板を積層して製造する鉄心の磁気的な特性を担う鉄の比率（占積率）が必然的に低くなり、磁気回路として有効に機能しなくなってしまう。特に、0.20mm厚以下の無方向性電磁鋼板では、積層して鉄心を作製すると占積率が著しく低下して、素材の磁束密度から期待される所期のモータトルクを得られなくなる。

薄手電磁鋼板の占積率を高めるためには、積層間の絶縁を保つために鋼板表面に塗布されている絶縁被膜の厚みを小さくすればよい。しかし、打抜き歪や溶接歪を開放して鉄心の磁気特性を改善する700-800℃の歪取り焼鈍を施すと積層間の焼付き（スティッキング）が生じて、鉄心の損失特性がかえって大きく劣化してしまう。

ここで、特許文献１には、鋼板表面に凹凸形状を形成することにより耐スティッキング性を確保する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１のように鋼板表面に凹凸形状を形成すると、凸形状の部分で絶縁被膜の厚みが小さくなり、その部分で積層間の焼付きが発生しやすくなる。また、鋼板表面の凹凸形状により、積層間の総空隙量が多くなり、積層時の占積率が低下する。

また特許文献２には、無機系水溶液に有機還元剤と無機有機複合樹脂エマルジョンを添加した処理液を電磁鋼板の表面に塗布して焼き付けることにより、焼鈍後の特性を向上させた絶縁皮膜が開示されている。しかしながら、特許文献２は皮膜密着性や耐食性といった特性に関するものであり、積層間の焼付きについては考慮されていない。

特開平２−２５９０４６号公報 特開平１０−２９８７７３号公報

本発明は、絶縁被膜の厚みを小さくしても積層間の焼付きを回避でき、薄手電磁鋼板の占積率を高めることにより、高周波での鉄損を低くできる高性能モータ用無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明者は、鉄心の占積率を高めるために表面に塗布されている絶縁被膜の厚みを小さくしても、母鋼板の表面部分に一定量の酸化物を含有することにより、歪取り焼鈍での焼付きの発生を回避できるといった知見を得た。
以上の知見に基づき、本発明を完成した。具体的には以下の通りである。

0.8μm未満の絶縁被膜厚を有する0.20mm厚以下の無方向性電磁鋼板であり、絶縁被膜を除去した母鋼板表面の[O]量が、質量基準で100ppm以上、600ppm以下である、高占積率と歪取り焼鈍後の焼付き防止を両立できる高性能モータ用無方向性電磁鋼板。

本発明によれば、0.8μm未満の絶縁被膜厚を有する0.20mm厚以下の薄手の無方向性電磁鋼板でありながら、歪取り焼鈍を施しても積層間の焼付きを回避できるようになる。本発明の高性能モータ用無方向性電磁鋼板を用いることにより、鋼板の占積率が高い、高周波鉄損特性に優れた高性能モータ鉄心が得られるようになる。

実施例における、母鋼板表面の[O]量および絶縁被膜厚と、鉄の占積率との関係を示すグラフである。 実施例における、母鋼板表面の[O]量および絶縁被膜厚と、焼付き性との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の高性能モータ用無方向性電磁鋼板は、0.8μm未満の絶縁被膜厚を有する0.20mm厚以下の無方向性電磁鋼板であり、絶縁被膜を除去した母鋼板表面の[O]量が100ppm以上、600ppm以下である。

（母鋼板）
母鋼板の両表面部での[O]量を100ppm以上、600ppm以下とする。ここで、母鋼板の両表面部での[O]量とは、アルカリ等で両表面の絶縁皮膜を除去した母鋼板の[O]量から、酸洗によって母鋼板表面を両側１０μｍ以上減厚して表面酸化層を除去した母鋼板中心部での[O]量を減じた値であり、質量基準で測定する。母鋼板中には製鋼での溶製中に形成されるアルミナ等の介在物が存在するため、上記の方法で[O]量を算出すれば、主に表面酸化層のみによる[O]量の増分が算出できる。また、[O]量の測定方法は、鋼板サンプルを黒鉛るつぼに挿入し不活性ガス中で高温に加熱溶解してるつぼ中のＣと反応させて発生させたＣＯ_２を赤外吸光法で検出する等、一般的な機器分析方法による分析で構わない。ここで、[O]量の下限を１００ｐｐｍに設定したのは、これ以下だと歪取り焼鈍時の焼付き防止の効果がないためであり、[O]量の上限を６００ｐｐｍに設定したのは、これ以上では占積率の低下が大きいためである。

（無方向性電磁鋼板の板厚）
電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコンコンプレッサ等、エネルギー消費を極力抑えることが必要なモータの更なる高効率化が求められる中、モータコアの積層鉄心に使用される電磁鋼板にも益々の低鉄損化が必須となってきている。特に電気自動車、ハイブリッド自動車に搭載されるモータは高出力でありながら小型化が求められるため、高速で回転されることが多く、高周波での鉄損に優れる薄手電磁鋼板が有効である。通常の無方向性電磁鋼板の板厚は0.50mm厚や0.35mm厚であるが、上記の高周波鉄損低減を目的として、0.30mm厚あるいは0.25mm厚の無方向性電磁鋼板が開発されてきている。ところが、板厚が0.20mm厚以下の薄手の無方向性電磁鋼板では、積層して鉄心を作製すると鉄の占積率が著しく低下して、素材の磁束密度から期待される所期のモータトルクを得られなくなる。本発明では0.20mm厚以下の薄手の無方向性電磁鋼板を対象とする。より好ましくは0.15mm厚、あるいは0.10mmの方が高周波鉄損は低減できるが、鋼板の剛性が保てず、電気自動車のような大型のモータコアを構成することが困難になるため、下限は0.10mm厚とする。

（母鋼板の成分、組織）
本発明では、母鋼板の成分は特に限定されないが、一例として以下の成分とすることができる。なお、各成分量を示す％は、質量％である。

Ｓｉ：０．５〜４．０％
Ｓｉは電気抵抗を高めて鉄損を改善する必須元素であるため、鉄損改善効果の得られる０．５％を下限とする。またＳｉが低くオーステナイト変態を生じると、熱延組織が大きく変化し磁化特性が劣化するとともに、仕上げ焼鈍において変態し良好な磁気特性を得ることができない。オーステナイト変態を完全に生じない２．０％以上が好ましく、２．５％以上がさらに好ましい。
一方、Ｓｉ含有量が４．０％を超えると鋼板の加工性が悪化し、さらに飽和磁束密度Ｂｓも低下する。このため、Ｓｉ含有量は、４．０％以下であり、３．７％以下が好ましく、３．５％以下がさらに好ましい。

Ａｌ：０．１〜２．０％
Ａｌは、Ｓｉと同様に電気抵抗を高めて鉄損を改善する元素であるために、Ａｌ含有量は、０．１％以上であり、０．３％以上が好ましく、０．５％以上がさらに好ましい。
しかし、Ａｌは飽和磁束密度Ｂｓを大きく低下させ、また飽和磁歪定数λｓを高くする元素であるために、Ａｌ含有量は、２．０％以下であり、１．５％以下が好ましく、１．０％以下がさらに好ましい。

Ｍｎ：０．１〜３．０％
Ｍｎは、熱間加工性を良好にするために有効な元素である。Ｍｎ含有量が０．１％未満ではこの効果を得られないため、Ｍｎ含有量は、０．１％以上であり、０．３％以上であることが好ましく、０．５％以上であることがさらに好ましい。
一方、Ｍｎ含有量が３．０％を超えると、オーステナイト変態が生じるようになるため、Ｍｎ含有量は、３．０％以下であり、２．０％以下であることが好ましく、１．０％以下であることがさらに好ましい。

Ｐ：０．０１〜０．２％
Ｐは、０．０１％以上含有することにより、磁化特性の改善が見られるため、Ｐ含有量は、０．０１％以上であり、好ましくは０．０５％以上であり、さらに好ましくは０．１０％以上である。
しかし、Ｐ含有量が０．２％を超えると、延性が劣化し、冷間圧延時に圧延材の破断等のトラブルを生じる。このため、Ｐ含有量は、０．２％以下であり、好ましくは０．１５％以下であり、さらに好ましくは０．１２％以下である。

Ｓｎ：０．０１〜０．３％
Ｓｎは、０．０１％以上含有することにより鉄損の改善に有効である。このため、Ｓｎ含有量は、０．０１％以上であり、好ましくは０．０５％以上であり、さらに好ましくは０．１０％以上である。しかし、Ｓｎ含有量が０．３％を超えると、脆性が著しく劣化する。このため、Ｓｎ含有量は、０．３％以下であり、好ましくは０．２％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下である。

残部
Ｆｅおよび不純物である。不純物としては、鉱石やスクラップ等の原材料に含まれるもの、製造工程において含まれるもの、が例示される。

（絶縁被膜）
鋼板表面に形成される絶縁被膜としては、リン酸塩、クロム酸塩、ホウ酸塩の何れかあるいは複合したものを主たる成膜成分とする被膜とすることができる。また、上記成膜成分に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂の粒子を混合して打抜き性を改善した被膜、あるいは、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニア、ジルコニア等を添加して耐疵付き性を改善した被膜でも良い。また、アクリル等の有機樹脂を成膜成分とする被膜や、これらにコロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニア、ジルコニア等を添加して耐疵付き性を改善した被膜、等、いずれの絶縁被膜でも構わない。あるいは、CVD、PVD等の技術を活用して、鋼板表面に窒化物の極薄絶縁被膜を形成してもよい。これらの内、特に、クロム酸塩を含まず主にリン酸塩のみを成膜成分とし、アクリル樹脂等の粒子を分散含有させた絶縁被膜が、簡便なロールコータによる塗布、焼付け工法を使用でき、また最近の環境規制の動きに合致するため特に好ましい。

（絶縁被膜厚：0.8μm未満）
板厚が0.20mm厚以下の薄手の無方向性電磁鋼板を積層して製造する鉄心の磁気的な特性を担う鉄の比率（占積率）を高めるためには、鋼板表面に塗布されている絶縁被膜の厚みを小さくする必要がある。そこで、本発明では膜厚が0.8μm未満の絶縁被膜を有する無方向性電磁鋼板を対象とする。占積率を高めるためには、絶縁被膜は薄ければ薄いほどよいが、鋼板表面の冷延粗度による凹凸が０．２−０．３μｍ程度あるため、絶縁被膜に覆われていない部分を作らないために、０．３μｍ以上の絶縁被膜厚が必要である。工業的なバラツキを吸収するため、０．５μｍ以上がさらに好ましい。絶縁被膜の厚みは、通常、１〜２μｍ程度であるため、占積率を向上させるためには、最大０．８μｍ未満の絶縁被膜が必要である。

（製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係る高性能モータ用無方向性電磁鋼板の製造方法を例示する。なお、本発明の高性能モータ用無方向性電磁鋼板は、以下の製造方法で得られたものに限定されない。

通常の製鋼・二次精錬工程あるいは電解鉄を原料とした真空溶解によって、上述する成分範囲の鋼塊を溶製する。この鋼塊を１０００℃以上の温度に加熱後、複数の圧延パスによる熱間圧延工程によって２ｍｍ厚程度の熱延鋼板に圧延し、該熱延鋼板に必要に応じて、結晶粒組織調整を目的とした８００℃以上の熱延板焼鈍を施し、冷間圧延によって所期の０．２０ｍｍ以下の製品厚に圧延する。該冷延鋼板に一次再結晶と結晶粒成長を目的とした仕上げ焼鈍を施した後、絶縁被膜を塗布焼付けして、薄手無方向性電磁鋼板製品板とする。鋼板表面の[Ｏ]量は上記仕上げ焼鈍時の焼鈍雰囲気、温度、時間を適宜調整することにより、所定の値に制御する。また絶縁被膜の厚みは、コーティング液の粘度、濃度、コーティングロールの材質、加工条件、塗布時のコーティングロール圧下等の操業条件を適宜調整することにより所定厚みに制御する。

以下、本発明の実施例を説明する。実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するための一例であり、これに限定されるものではない。本発明を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

重量％でＳｉ：３．２％、Ａｌ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｐ：０．０７％、Ｓｎ：０．０６％含有する残部Ｆｅおよび不純物よりなる鋼塊を、熱間圧延により２．０ｍｍ厚とし、９５０℃で１５秒の熱延板焼鈍を施し、酸洗を施し、０．１５ｍｍに冷間圧延し、１０００℃で２０秒間の仕上げ焼鈍を施し、各種厚み（０．４μｍ、０．８μｍ、１．２μｍ）の絶縁被膜を塗布、焼付けする。仕上げ焼鈍の雰囲気は、Ｈ２：２０％、Ｎ２：８０％の分圧をベースに、露点を−３０℃、１０℃、４０℃、６０℃と変化させ、鋼板表面の[Ｏ]量を５０ｐｐｍ、１５０ｐｐｍ、４５０ｐｐｍ、６５０ｐｐｍと変化させる。

これらの鋼板から３０×３００ｍｍの短冊試料を１６枚以上、剪断、採取し、ＪＩＳ２５５０−２０００に準拠する方法で占積率を測定する。また錘による荷重をかけた状態で積層した鋼板に７５０℃で２時間の歪取り焼鈍を施したものを引き剥がすときの力を測定し、焼付きの評価とする。結果を図１、２に示す。

図１に示すように、占積率については、絶縁被膜厚が0.8μm未満であり、かつ、母鋼板表面の[O]量が100ppm以上、600ppm以下であれば、鉄の比率（質量％）が９３％以上となった。焼付き性は、歪取り焼鈍を施したものを引き剥がすときの力が、３００（Ｐａ）以上が×、２００以上、３００（Ｐａ）未満が△、１７０以上、２００（Ｐａ）未満が○、１７０（Ｐａ）未満が◎と評価した。図２に示すように、絶縁被膜厚が0.8μm未満であり、かつ、母鋼板表面の[O]量が100ppm以上、600ppm以下であれば、○もしくは◎の評価となり、焼付き性に優れた結果となった。

Claims (1)

1. 0.8μm未満の絶縁被膜厚を有する0.20mm厚以下の無方向性電磁鋼板であり、
   絶縁被膜を除去した母鋼板表面の[O]量が、質量基準で100ppm以上、600ppm以下である、高占積率と歪取り焼鈍後の焼付き防止を両立できる高性能モータ用無方向性電磁鋼板。
   

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