JP7310880B2 - 無方向性電磁鋼板とモータコアならびにそれらの製造方法 - Google Patents
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- C23C22/06—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
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- C23C22/22—Orthophosphates containing alkaline earth metal cations
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Description
記
・A群;Sn:0.005~0.20mass%およびSb:0.005~0.20mass%のうちから選ばれる1種または2種
・B群;Ca,MgおよびREMのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.0005~0.020mass%
・C群;Cu,Ni,CrおよびCoのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.01~1.0mass%
・D群;Mo:0.001~0.1mass%およびW:0.001~0.1mass%のうちから選ばれる1種または2種
記
・A群;Sn:0.005~0.20mass%およびSb:0.005~0.20mass%のうちから選ばれる1種または2種
・B群;Ca,MgおよびREMのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.0005~0.020mass%
・C群;Cr,Co,NiおよびCuのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.01~1.0mass%
・D群;Mo:0.001~0.1mass%およびW:0.001~0.1mass%のうちから選ばれる1種または2種
W10/800≦15+80×t ・・・(1)
を満たし、かつ、上記歪取焼鈍後の鋼板の片側表面から板厚1/20までの層内においてAlNとしての存在するN(N as AlN)が0.0100mass%以下であることを特徴とするモータコアである。
W10/800≦15+80×t ・・・(1)
を満たし、かつ、上記歪取焼鈍後の鋼板の片側表面から板厚1/20までの層内においてAlNとして存在するN(N as AlN)が0.0100mass%以下とすることを特徴とする。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態は、鋼素材(スラブ)中にZnを適正量含有することで、仕上焼鈍後の鋼板表面にZnやAlを含む酸化物等の複合化合物からなる被膜を形成し、さらに、仕上焼鈍後の鋼板表面に被成する絶縁被膜中にSn,Sb,P,S,Se,As,Te,B,PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を含ませることで、上記両被膜に窒化抑制能を付与することによって、歪取焼鈍時の鋼板表層の窒化を抑制することを特徴とする。
<実験1>
C:0.0025mass%、Si:3.5mass%、Mn:0.6mass%、P:0.01mass%、S:0.0015mass%、Al:0.9mass%、N:0.0023mass%、Ti:0.0011mass%、Nb:0.0009mass%およびO:0.0021mass%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成の鋼を2チャージ(チャージA,B)溶製し、連続鋳造法で鋼素材(スラブ)とした後、該スラブを熱間圧延して板厚1.9mmの熱延板とし、950℃×30sの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して最終板厚0.30mmの冷延板とし、vol%比でH2:N2=20:80の雰囲気下で、800℃×10sの仕上焼鈍を施した後、該仕上焼鈍後の鋼板表裏面に絶縁被膜を被成し、製品板とした。ここで、上記絶縁被膜は、第一リン酸マグネシウム:Mg(H2PO4)2(太平化学産業製)とアクリル樹脂(DIC製EFD-5560)を固形分比率がmass%比で90:10の割合となるよう混合し、脱イオン水を用いて固形分濃度を10mass%に調整した塗布液を、焼き付け後の塗膜の目付量が片面当たり0.5g/m2となるようロールコーターで鋼板両面に塗布し、熱風炉で、30sで280℃の最高到達板温(均熱時間は0s)となる条件で焼き付けることで被成した。
そこで、歪取焼鈍時の鋼板表面における窒化挙動および歪取焼鈍後の鉄損特性に及ぼすZn含有量の影響を調査する以下の実験を行った。
C:0.0027mass%、Si:3.6mass%、Mn:0.8mass%、P:0.01mass%、S:0.0018mass%、Al:1.1mass%、N:0.0021mass%、Ti:0.0012mass%、Nb:0.0008mass%およびO:0.0022mass%を含有し、かつ、Znを0.0001~0.01mass%の範囲で種々に変化して含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して鋼塊とし、熱間圧延して板厚2.0mmの熱延板とし、940℃×30sの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して最終板厚0.25mmの冷延板とした後、vol%比でH2:N2=20:80の雰囲気下で、780℃×10sの仕上焼鈍を施した後、鋼板表裏面に、上記<実験1>と同条件で絶縁被膜を被成し、製品板とした。
W10/800=15+80×t ・・・(2)
で定義される鉄損基準値より鉄損が下回っていることがわかった。
上記のように、本発明の第1の実施の形態は、鋼素材中にZnを適正量含有させるとともに、絶縁被膜中に窒化抑制効果のある元素を含ませる、すなわち、絶縁被膜に窒化抑制能を付与することで歪取焼鈍時の鋼板表層の窒化を抑制することを特徴としているが、本発明の第2の実施の形態は、上記第1の実施の形態の絶縁被膜に替えて、上記絶縁被膜と鋼板の地鉄表面との間に、窒化抑制効果のある元素を含有した中間層を形成する(したがって、絶縁被膜には窒化抑制効果のある元素は含まない)ことで、高温での歪取焼鈍時の鋼板表層の窒化を抑制することを特徴とする。
これらの結果から、窒化抑制効果のあるSn,Sb,P,S,Se,As,Te,B,PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を含有する中間層を鋼板地鉄表面と絶縁被膜の間に形成することによっても、絶縁被膜中に上記窒化抑制効果のある元素を含ませるのと同様の窒化抑制効果が得られることがわかった。
製品板中に含まれるCは、炭化物を形成して磁気時効を起こし、鉄損特性を劣化させる有害元素である。そのため、素材中に含まれるCの上限は0.0050mass%に制限する。好ましくは0.0040mass%以下である。なお、Cの下限は、特に規定しないが、精錬工程での脱炭コストを低減する観点から、0.0001mass%程度とするのが好ましい。
Siは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果があり、また、固溶強化により鋼の強度を高める効果があるため、2.8mass%以上含有させる。一方、6.5mass%を超えると、鋼が脆化し、圧延することが困難になるため、上限は6.5mass%とする。好ましくは3.0~6.0mass%の範囲である。
Mnは、Siと同様、鋼の固有抵抗と強度を高めるのに有用な元素であり、また、Sを固定して熱間脆性を改善する元素でもあるため、0.1mass%以上含有させる。一方、2.0mass%を超える添加は、スラブ割れ等を起こして製鋼工程の操業性が悪化するため、上限は2.0mass%とする。好ましくは0.2~1.5mass%の範囲である。特に、Mnを0.2mass%以上含有させると、MnSが優先して形成され、ZnSの形成が抑制されるため、Zn酸化物等を含む複合化合物からなる被膜の形成を促進することができる。
Pは、鋼の固有抵抗を高め、渦電流損の低減効果が大きい元素である。また、固溶強化能が大きいため、適宜添加することができる。しかし、Pの過剰な添加は、鋼が脆化し、冷間圧延性の悪化を招くので、上限は0.10mass%とする。好ましくは0.05mass%以下である。
Sは、硫化物となって析出物や介在物を形成し、製造性(熱間圧延性)や製品板の磁気特性を低下させるので、少ないほど好ましい。よって、Sの上限は0.0050mass%とする。好ましくは0.0030mass%以下である。
Alは、Siと同様、鋼の固有抵抗を高めて、鉄損を低減する効果がある。しかし、2.0mass%を超えると、鋼が脆化し、圧延することが困難になるため、上限は2.0mass%とする。一方、Alが0.3mass%未満となると、微細な窒化物を形成して析出し、却って鉄損特性を悪化させるため、下限は0.3mass%とする。好ましくは0.4~1.5mass%の範囲である。
Nは、窒化物を形成して析出し、磁気特性を劣化させる元素であるため、0.0050mass%以下に制限する。好ましくは0.0040mass%以下である。
TiおよびNbは、微細析出物を形成して析出し、鉄損を増加させる元素である。いずれも0.0030mass%を超えると上記悪影響が顕著になるため、それぞれ上限は0.0030mass%とする。好ましくはそれぞれ0.0020mass%以下である。
Oは、酸化物を形成して介在物として鋼中に存在し、磁気特性を劣化させる元素であるため、0.0050mass%以下に制限する。好ましくは0.0040mass%以下である。
Znは、本発明において最も重要な元素の一つであり、歪取焼鈍時の窒化を抑制する効果があるため、0.0005mass%以上含有させる。一方、0.0050mass%を超えて添加すると、硫化物を形成して鉄損を増加させるため、0.0050mass%以下に制限する。好ましくは0.001~0.004mass%の範囲である。
・A群;Sn:0.005~0.20mass%およびSb:0.005~0.20mass%のうちから選ばれる1種または2種
SnおよびSbは、再結晶集合組織を改善し、磁束密度と鉄損特性を改善する効果がある。上記効果を得るためには、上記元素は0.005mass%以上の含有するのが好ましい。しかし、0.20mass%を超えて添加しても、上記効果は飽和する。よって、SnおよびSbを添加する場合は、それぞれ0.005~0.20mass%の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、それぞれ0.01~0.1mass%の範囲である。
Ca,MgおよびREMは、安定な硫化物を形成し、歪取焼鈍時の粒成長性を改善する効果がある。上記効果を得るためには、上記元素を合計で0.0005mass%以上添加するのが好ましい。一方、0.020mass%超え添加しても、上記効果は飽和してしまう。よって、上記元素を添加する場合は、合計で0.0005~0.020mass%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.001~0.008mass%の範囲である。
Cu,Ni,CrおよびCoは、鋼の固有抵抗を高めて鉄損を低減したり、鋼の強度を高めたりする効果がある。上記効果を得るためには、Cu,Ni,CrおよびCoを合計で0.01mass%以上添加するのが好ましい。しかし、1mass%を超える添加は原料コストの上昇を招く。よって、上記元素を添加する場合は、合計で0.01~1.0mass%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、0.1~0.5mass%の範囲である。
MoおよびWは、いずれも表面欠陥(ヘゲ)を抑制するのに有効な元素である。本発明の鋼板は高合金鋼であるため、表面が酸化され易く、表面割れに起因するヘゲの発生が懸念されるが、高温強度を高める元素であるMoやWを微量添加することで、割れを抑制することができる。上記効果は、MoおよびWの含有量がそれぞれの0.001mass%を下回ると十分ではなく、一方、0.1mass%を超えて添加しても、上記効果が飽和し、原料コストが上昇するだけである。よって、Mo,Wを添加する場合は上記範囲とするのが好ましい。より好ましい含有量はそれぞれ0.0050~0.050mass%の範囲である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記した成分組成を有する鋼素材(スラブ)を製造し、該スラブを熱間圧延して熱延板とし、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して最終板厚(製品板厚)の冷延板とし、仕上焼鈍した後、絶縁被膜を被成する一連の工程からなる製造工程で製造することができる。なお、本発明の第1の実施の形態と第2の実施の形態で異なる工程は、上記仕上焼鈍後の鋼板に絶縁被膜を被成する工程である。以下、具体的に説明する。
上記絶縁被膜の種類は特に限定しないが、固形分が無機材料からなるもの、または、有機樹脂と無機材料からなるものが好ましい。無機材料を含有させることで、溶接性や耐熱性を確保でき、また、有機樹脂を含有させることで、プレス成形性を向上することができるので、用途に応じて適宜選択するのが好ましい。なお、絶縁被膜に有機樹脂を含ませる場合、焼付後の固形分に占める有機樹脂の割合は70mass%以下の範囲とするのが好ましい。有機樹脂の割合が70mass%を超えると、耐熱性の劣化の原因となるためである。
本発明の第1の実施の形態は、仕上焼鈍後の鋼板地鉄表面に被成する絶縁被膜に窒化抑制能を有する被覆層として使用する形態であり、窒化抑制機能をもたせるため、絶縁被膜中にSn,Sb,P,S,Se,As,Te,B,PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を含ませることを特徴としている。これらの元素を絶縁被膜中に含ませることで、絶縁被膜の密度および密着性が向上し、絶縁被膜に窒化抑制効果を付与することができる。
本発明の第2の実施形態は、仕上焼鈍後の鋼板表面に被成した絶縁被膜と、該絶縁被膜と鋼板地鉄表面との間に窒化抑制能を有する中間層を形成する形態であり、上記中間層中にSn,Sb,P,S,Se,As,Te,B,PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を含ませることを特徴としている。これらの元素を中間層中に含ませることで、中間層に窒化抑制効果を付与することができるだけでなく、絶縁効果や防錆効果も付随的に期待できる。また、中間層と絶縁被膜の合計膜厚を、第1の実施形態の絶縁被膜の膜厚よりも薄くできるので、占積率(コア磁束)を向上させることができる。
モータコアは、通常、高強度が求められるロータコアと、低鉄損高磁束密度が求められるステータコアから構成されている。前者のロータコアは、仕上焼鈍後、絶縁被膜を被成した鋼板を打抜加工等でコア形状に加工し、積層し、固定したそのままの状態で、モータコアとして使用されるが、後者のステータコアは、仕上焼鈍後、絶縁被膜を被成した鋼板を打抜加工等でコア形状に加工し、積層し、固定した後、さらに、磁気特性の向上を目的として歪取焼鈍を施した後、モータコアとして使用されるのが一般的である。
W10/800=15+80×t ・・・(2)
で定義される鉄損基準値をクリアすることができる。
また、上記絶縁被膜を被成した製品板から、圧延方向(L方向)を長さ方向とする幅100mm、長さ200mmの試験片を各条件で2枚ずつ採取し、該2枚の試験片を重ね合わせ、圧力1kg/cm2を付加した状態で、相対速度2cm/sで10s間摺動させた後、試験片表面の擦り傷の発生有無を目視で観察し、下記の基準で、耐疵付性を評価した。
<耐疵付性評価基準>
◎:擦り傷の発生が殆ど認められない(合格)
〇:若干の擦り傷が認められる(合格)
×:擦り傷が明確に認められる(不合格)
さらに、上記絶縁被膜を被成した製品板から、圧延方向(L方向)を長さ方向とする幅100mm、長さ200mmの試験片を各条件で2枚ずつ採取し、被試験面にセロハン粘着テープを貼り、被試験面を圧縮側として、鋼板に対して直径5mmの丸棒を用いて180°曲げを行った後、セロハン粘着テープを剥がして、被膜剥離面積を算定し、下記基準で被膜密着性を評価した。
<被膜密着性判定基準>
◎:被膜剥離面積<5%(合格)
〇:5%≦被膜剥離面積<10%(合格)
×:被膜剥離面積≧10%(不合格)
また、上記中間層と絶縁被膜を有する製品板から、圧延方向(L方向)を長さ方向とする幅100mm、長さ200mmの試験片を各条件で2枚ずつ採取し、実施例1と同様、該2枚の試験片を重ね合わせ、圧力1kg/cm2を付加した状態で、相対速度2cm/sで10s間摺動させた後、試験片表面の擦り傷の発生有無を目視で観察し、下記の基準で、耐疵付性を評価した。
<耐疵付性評価基準>
◎:擦り傷の発生が殆ど認められない(合格)
〇:若干の擦り傷が認められる(合格)
×:擦り傷が明確に認められる(不合格)
さらに、上記絶縁被膜を被成した製品板から、圧延方向(L方向)を長さ方向とする幅100mm、長さ200mmの試験片を各条件で2枚ずつ採取し、被試験面にセロハン粘着テープを貼り、被試験面を圧縮側として、鋼板に対して直径5mmの丸棒を用いて180°曲げを行った後、セロハン粘着テープを剥がして、被膜剥離面積を算定し、下記基準で被膜密着性を評価した。
<被膜密着性判定基準>
◎:被膜剥離面積<5%(合格)
〇:5%≦被膜剥離面積<10%(合格)
×:被膜剥離面積≧10%(不合格)
Claims (7)
- C:0.0050mass%以下、Si:2.8~6.5mass%、Mn:0.1~2.0mass%、P:0.01mass%以下、S:0.0026mass%以下、Al:0.3~2.0mass%、N:0.0031mass%以下、Zn:0.0005~0.0050mass%、Ti:0.0030mass%以下、Nb:0.0014mass%以下およびO:0.0032mass%以下を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
鋼板の表面に被覆層を有し、
上記被覆層は、鋼板表面の最上層に形成された絶縁被膜と、該絶縁被膜と鋼板地鉄表面との間に形成された中間層とからなり、
該中間層が、リン酸塩、Sn、Sn化合物から選ばれる少なくとも1種を含有することを特徴とする無方向性電磁鋼板。 - 上記成分組成に加えてさらに、下記A~D群のうちの少なくとも1群の成分を含有することを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
記
・A群;Sn:0.005~0.20mass%およびSb:0.005~0.20mass%のうちから選ばれる1種または2種
・B群;Ca,MgおよびREMのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.0005~0.020mass%
・C群;Cr,Co,NiおよびCuのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.01~1.0mass%
・D群;Mo:0.001~0.1mass%およびW:0.001~0.1mass%のうちから選ばれる1種または2種 - 鋼スラブを熱間圧延し、冷間圧延し、仕上焼鈍して無方向性電磁鋼板を製造する方法において、
上記鋼スラブは、C:0.0050mass%以下、Si:2.8~6.5mass%、Mn:0.1~2.0mass%、P:0.01mass%以下、S:0.0026mass%以下、Al:0.3~2.0mass%、N:0.0031mass%以下、Zn:0.0005~0.0050mass%、Ti:0.0030mass%以下、Nb:0.0014mass%以下およびO:0.0032mass%以下を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
上記仕上焼鈍後に鋼板表面に被覆層を形成する際、上記被覆層として、リン酸塩、Sn、Sn化合物から選ばれる少なくとも1種を含有する処理剤を塗布して窒化抑制能を有する中間層を形成し、該中間層の上に上記元素を含有していない絶縁被膜を被成することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 上記鋼スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記A~D群のうちの少なくとも1群の成分を含有することを特徴とする請求項3に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
記
・A群;Sn:0.005~0.20mass%およびSb:0.005~0.20mass%のうちから選ばれる1種または2種
・B群;Ca,MgおよびREMのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.0005~0.020mass%
・C群;Cu,Ni,CrおよびCoのうちから選ばれる1種または2種以上を合計で0.01~1.0mass%
・D群;Mo:0.001~0.1mass%およびW:0.001~0.1mass%のうちから選ばれる1種または2種 - 請求項1または2に記載の無方向性電磁鋼板からコア形状に加工したコア材を積層してなるロータコアと、上記と同一の無方向性電磁鋼板からコア形状に加工したコア材を積層した後、歪取焼鈍を施してなるステータコアからなるモータコアであって、
上記ステータコアを構成する鋼板は、鉄損W10/800(W/kg)が板厚t(mm)との関係で下記(1)式を満たし、かつ、
上記歪取焼鈍後の鋼板の片側表面から板厚1/20までの層内においてAlNとしての存在するN(N as AlN)が0.0100mass%以下であることを特徴とするモータコア。
記
W10/800≦15+80×t ・・・(1) - 請求項3または4に記載の方法で製造された無方向性電磁鋼板をコア形状に加工し、積層してステータコアとロータコアに組み立てた後、上記ステータコアに歪取焼鈍を施すステータコアとロータコアからなるモータコアの製造方法において、
上記歪取焼鈍を、窒素、水素および希ガスから選ばれる1種のガスまたは2種以上の混合ガスからなる雰囲気下で、均熱温度800~950℃、均熱時間0.5~3.0hrの条件で施すことを特徴とするモータコアの製造方法。 - 上記歪取焼鈍後の鋼板の鉄損W10/800(W/kg)が板厚t(mm)との関係で下記(1)式を満たし、かつ、
上記歪取焼鈍後の鋼板の片側表面から板厚1/20までの層内においてAlNとして存在するN(N as AlN)が0.0100mass%以下とすることを特徴とする請求項6に記載のモータコアの製造方法。
記
W10/800≦15+80×t ・・・(1)
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