(57)【要約】【課題】品質の安定を図った非磁性改質相を備える鋼材の製造方法を提供すること。【解決手段】複数の鋼材１を重ね合わせによって内部に空間２０を形成し、その空間２０内に改質金属３０を入れ、重ね合わせた鋼材１を改質金属３０の存在する位置で重ね合わせ方向に挟み込んだ一対の電極５により通電加圧することによって、改質金属３０を周囲の鋼材１の一部とともに溶融して非磁性改質相１１を形成するものであり、改質金属３０は、電極５による加圧方向の両面にそれぞれ複数の突起３２が形成されたものであって、電極５による通電加圧の前に、空間２０に改質金属３０を入れて重ね合わせた鋼材１を加圧装置で加圧し、突起３２を鋼材１に食い込ませる改質前加圧工程を有する非磁性改質相を備える鋼材の製造方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の鋼材を重ね合わせによって内部に空間を形成し、その空間内に改質金属を入れ、前記重ね合わせた鋼材を前記改質金属の存在する位置で重ね合わせ方向に挟み込んだ一対の電極により通電加圧することによって、前記改質金属を周囲の鋼材の一部とともに溶融して非磁性改質相を形成するものであり、
前記改質金属は、前記電極による加圧方向の両面にそれぞれ複数の突起が形成されたものであって、前記電極による通電加圧の前に、前記空間に改質金属を入れて重ね合わせた前記鋼材を加圧装置で加圧し、前記突起を前記鋼材に食い込ませる改質前加圧工程を有することを特徴とする非磁性改質相を備える鋼材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する非磁性改質相を備える鋼材の製造方法において、
前記改質前加圧工程では、前記改質金属の突起を前記鋼材に途中まで食い込ませるようにしたことを特徴とする非磁性改質相を備える鋼材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載する非磁性改質相を備える鋼材の製造方法において、
前記改質金属は、前記加圧方向と直交する方向の寸法を前記空間より小さくしたものであることを特徴とする非磁性改質相を備える鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の鋼材に非磁性材を挟み込んで通電加熱溶融することにより部分的に非磁性改質相を備える鋼材を形成する製造方法に関し、特に、安定した非磁性改質相を形成する鋼材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機や発電機などに用いられる鉄心には一般に高い透磁率が求められるため、ロータに磁石が取り付けられている。そして、そのロータには、磁石の漏れ磁束によって性能が低下しないようにするため、従来から部分的に非磁性化する加工が行われている。図６は、ロータを非磁性化した改質箇所を示した図である。ロータ９０に設けられた磁石９１に対し、非磁性改質相のペリブリッジ部９２とセンターブリッジ部９３が形成され、磁気抵抗を高めることで漏れ磁束による性能低下を防止している。
【０００３】
このような非磁性改質相を備える鋼材を製造する方法としては、例えば特許文献１に、鉄心の該当箇所を局所的に加熱した後、冷却させることでオーステナイト領域を形成する技術が開示されている。すなわち、局所的な加熱の手段としてレーザー照射を行い、準安定オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延により強磁性のマルテンサイト組織としたものを用いることで、その一部を非磁性のオーステナイト組織とする。その他には、特許文献２に開示されているように、対象の磁性部材を局所的に溶融しつつ、外部から改質元素を添加して固溶させて非磁性化する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５０７３９５号公報
【特許文献２】特開２００１−９３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした従来の製造方法では、マルテンサイト化したオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合、結晶形の歪み等のため透磁率が一般的な電磁鋼板より劣り、最大磁束密度が不足してしまう。また、溶融させた状態で改質元素を添加する方法では、長い処理時間を要することや、深さ方向の制御が困難で非磁性改質相を所望どおりに形成できないなどの問題があった。また、ロータ９０の場合には、電磁鋼板を複数重ねて構成するため、改質元素を添加した分が体積増加してしまい処理後の平坦性が悪いため、気密な重ね合わせができないといった問題も生じる。従って、非磁性改質相を備える鋼材の製造に対し、こうした課題を解決した新たな方法が望まれ、本出願人は特願２００８−１９２４６８号によって新規製造方法を提案した。
【０００６】
本発明は、かかる新規製造方法に関し、品質の安定を図った非磁性改質相を備える鋼材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非磁性改質相を備える鋼材の製造方法は、複数の鋼材を重ね合わせによって内部に空間を形成し、その空間内に改質金属を入れ、前記重ね合わせた鋼材を前記改質金属の存在する位置で重ね合わせ方向に挟み込んだ一対の電極により通電加圧することによって、前記改質金属を周囲の鋼材の一部とともに溶融して非磁性改質相を形成するものであり、前記改質金属は、前記電極による加圧方向の両面にそれぞれ複数の突起が形成されたものであって、前記電極による通電加圧の前に、前記空間に改質金属を入れて重ね合わせた前記鋼材を加圧装置で加圧し、前記突起を前記鋼材に食い込ませる改質前加圧工程を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る非磁性改質相を備える鋼材の製造方法は、前記改質前加圧工程では、前記改質金属の突起を前記鋼材に途中まで食い込ませるようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係る非磁性改質相を備える鋼材の製造方法は、前記改質金属は、前記加圧方向と直交する方向の寸法を前記空間より小さくしたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、改質前加圧工程によって改質金属に形成した突起を鋼材に食い込ませ、空間内に入れられた改質金属が鋼材を掴んで浮き上がりを防止するようにしたため、次の改質工程では、通電電流が加圧方向に改質金属を偏り無く流れることにより、全体が溶融して安定した非磁性改質相が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ロータの電磁鋼板とその凹穴に入れる改質金属を示した図である。
【図２】非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について示した断面図である。
【図３】非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について課題を示した断面図である。
【図４】非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について第１実施形態を示した断面図である。
【図５】非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について第２実施形態を示した断面図である。
【図６】ロータを非磁性化した改質箇所を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明に係る非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態では、モータを構成するロータに対して非磁性改質相を形成する場合について説明する。ロータには、前述したように高い透磁率を得るため磁石が取り付けられ、一方で磁石の漏れ磁束による性能低下を防止するため非磁性改質相が形成される。
【００１２】
ロータは、図１に示すようにドーナッツ形状をした極薄の電磁鋼板（例えば、Ｆｅ−Ｓｉ）１を多数枚積層して形成されるものである。本実施形態では、そうした電磁鋼板１の所定箇所に円形の凹穴２が複数形成され、その中にそれぞれ円形の改質金属（例えば、ＮｉＣｒ）３が一つずつ入れられ、複数箇所に非磁性改質相が形成される。ここで、図２は、非磁性改質相の製造方法について一箇所を示した断面図である。
【００１３】
先ず、図２（ａ）に示すように、凹穴２を形成した２枚の電磁鋼板１を上下に重ね合わせ、その際、上下両方の凹穴２が重なってできた空間２０内に改質金属３が入れられる。こうして改質金属３を挟み込んだ２枚の電磁鋼板１同士を、図２（ｂ）に示すように、その改質金属３が位置する箇所で上下から一対の電極５によって挟み込み、スポット溶接と類似の要領で通電加圧を行う。例えば、このときの加圧力は２ＫＮ程度とし、電流値は８ＫＡ程度とする。
【００１４】
電極５による通電加圧が０．１５秒程行われ、そこで起きる抵抗発熱により改質金属３が周りの電磁鋼板１とともに溶融する。こうして電磁鋼板１の内部が改質金属３とともに溶融する一方、表面部分は電極５に接して熱が奪われるため溶融しない。そして、通電終了後に再び凝固することで、図２（ｃ）に示すように、非磁性改質相１１が形成される。非磁性改質相１１の形成は、図１に示す電磁鋼板１に形成された複数の凹穴２の箇所において同じように行われ、ロータ部材１０が形成される。
【００１５】
モータを構成するロータは、このような非磁性改質相１１をもった２枚重ねのロータ部材１０が、非磁性改質相１１の位置を合わせて更に複数枚重ねられることによって形成される。なお、この非磁性改質相１１が、図６のペリブリッジ部９２やセンターブリッジ部９３に相当する。従って、非磁性改質相１１が形成されたロータ部材１０には、所定箇所に磁石９１を装填するための設置孔が形成され、その外周が削り取られる。
【００１６】
ところで、ロータ部材１０毎に形成される非磁性改質相１１について改質の品質が落ちると、漏れ磁束を適切に防止することができず、モータの性能を低下させることになる。そのため、非磁性改質相１１の製造に関しては、磁石９１の漏れ磁束を効果的に抑えられることが求められている。また、非磁性改質相１１には、その他にも磁石９１に作用する遠心力によって、前述した磁石の設置孔が形成された位置から破壊が生じない強度を備えていることなどが要求される。そのためには、図２（ｃ）で示すように、改質された非磁性改質相１１が安定した状態で得られるようにするための方策が必要であった。
【００１７】
ここで図３は、その非磁性改質相が安定的に得られなかった場合の一例を示したものである。改質金属３は、図２（ａ）に示すように凹穴２が重なってできた空間２０内に正しく収まればよいが、実際には図３（ａ）に示すように、凹穴２の隅部に大きなＲが生じてしまい、改質金属３の角部が乗り上げてしまうことがある。すると、図３（ｂ）に示すように電極５によって挟み込んでも、加圧方向（図面上下方向）に電磁鋼板１と改質金属３とを非接触とする隙間１０１が生じてしまう。
【００１８】
そこで、このような状態で電極５による通電加圧を行うと、通電電流が隙間１０１の存在する改質金属３の図面右側には流れずに、接触している図面左側に偏って流れる。そのため、改質金属３は、図面左側部分が抵抗発熱によって周りの電磁鋼板１とともに溶融するが、図面右側部分は十分に発熱しないため溶融せず、改質が不十分なものとなってしまう。すなわち、図３（ｃ）に示すような非対象の不安定な非磁性改質相１１１を備えたロータ部材１１０が形成され、それがロータを構成した時に漏れ磁束が増えてしまう他、強度低下にもつながる。
【００１９】
そこで本実施形態では、改質金属の挟み込みによる電磁鋼板の浮き上がりを防止して通電加圧による改質を適切に行えるようにする製造方法を提案する。具体的には、図４に示すように、上下両面に突起３２が形成された改質金属３０を使用し、電極による通電加圧前に電磁鋼板１を確実に上下で掴む改質前加圧工程を有するものである。図４は、そうした改質前加圧工程を含む非磁性改質相の製造方法を示した第１実施形態の断面図である。
【００２０】
本実施形態の改質金属３０は、上下両面に複数の突起３２をもった凹凸面３１が形成されている。この凹凸面３１は、例えばローレット加工のように、型押し転造によって鋭角な三角形断面の突起３２が規則正しく形成されている。そうした改質金属３０を、図４（ａ）に示すように、凹穴２に配置することにより重ね合わせる上下の電磁鋼板１によってできる空間２０内に挿入する。このとき改質金属３０は、電極５の加圧方向である空間２０の高さ寸法よりも、改質金属３０の高さ寸法（突起３２の先端同士の距離）の方が大きく、逆に加圧方向に直交する横方向の寸法は小さい。また、改質金属３０は、型押し転造の圧延により加工硬化して硬くなっている。
【００２１】
従って、次の図４（ｂ）に示す改質前加圧工程では、空間２０の位置を加圧装置の加圧ブロック５０が上下から挟み込むと、電磁鋼板１が重なり合った状態で、背の高い改質金属３０の突起３２先端が凹穴２の底面に食い込む。このとき、改質金属３が上下の電磁鋼板１を掴んで浮き上がりを防止するが、更には、突起３２の先端が食い込み時の抵抗によって曲がって釣り針の返しのようになり、アンカー効果を発揮して浮き上がりを防止することが期待される。なお、改質前加圧工程における上下の加圧ブロック５０による加圧力は１０ＫＮである。
【００２２】
そして次の通電加圧工程では、図４（ｃ）に示すように電極５によって上下に電磁鋼板１を挟み込み、通電加圧すると、電流が突起３２と凹穴２の底面との接触部分を通って上下に流れ、その抵抗発熱によって改質金属３０が溶融する。その際、電磁鋼板１に対して面接触する図２の改質金属３に比べ、本実施形態の改質金属３０は、突起３２が途中まで食い込んだ状態で接しているため接触面積が小さい。従って、通電時の電流密度が増すため、少ない電流で十分な発熱を生じる。従って、前述したように、図２の場合には電流値が８ＫＡであるのに対し、本実施形態では７．２ＫＡである。なお、加圧力は同じく２ＫＮ程度である。
【００２３】
こうした通電加圧によって電磁鋼板１の内部が改質金属３０とともに溶融する一方、表面部分は電極５に接して熱が奪われるため溶融しない。そして、通電終了後に再び凝固することで、図４（ｄ）に示すように、非磁性改質相１１が形成される。非磁性改質相１１の形成は、図１に示す電磁鋼板１に形成された複数の凹穴２の箇所において同じように行われ、ロータ部材１０が形成される。
【００２４】
よって、本実施形態の製造方法によれば、改質金属３０の上下面に鋭角に尖った突起３２を形成し、図４（ｂ）に示す改質前加圧工程によって突起３２を食い込ませ電磁鋼板１を掴んで浮き上がりを防止するようにしたため、図４（ｃ）で示す改質工程では、確実に通電電流が改質金属３０の上下の面を偏り無く流れ全体が溶融することで、安定した非磁性改質相１１が形成できる。また、凹凸面３１によって通電加圧時の電流密度が増すため、少ない電流で改質金属３０を発熱させることができ、製造コストを抑えることができる。
【００２５】
そして、改質金属３０は、横方向の寸法を小さくしているが、これは溶融した改質金属３０が空間２０内に適切に充填できるように体積を合わせたものであり、この点でも安定した非磁性改質相１１が形成できる。更に、改質金属３０は横方向の寸法を小さくして空間２０の側面との間に隙間が生じるようにしたことで、凹穴２の隅部にできる大きなＲに改質金属３０が影響を受けにくくなった。
【００２６】
次に、図５は、非磁性改質相の製造方法を示した第２実施形態の断面図である。本実施形態では、２枚の電磁鋼板１を重ねてロータ部材１０を形成した第１実施形態に対し、３枚の電磁鋼板を重ねてロータ部材を形成する場合の製造方法を示したものである。なお、同じ構成については、同じ符号を付して説明する。
【００２７】
本実施形態では、表面が平らな２枚の電磁鋼板４１と、貫通孔４２ａが形成された１枚の電磁鋼板４２が用意され、図５（ａ）に示すように、電磁鋼板４２の上下に電磁鋼板４１を重ねてできる貫通孔４２ａの空間４０内に改質金属３０を配置させる。このとき改質金属３０は、加圧方向である高さ寸法（突起３２の先端同士の距離）が電磁鋼板４２の板厚よりも大きく、逆に加圧方向に直交する横方向の寸法は貫通穴４２ａよりも小さい。
【００２８】
従って、次の図５（ｂ）に示す改質前加圧工程では、空間４０の位置を加圧装置の加圧ブロック５０が上下から挟み込むと、改質金属３０の突起３２先端が上下の電磁鋼板４１に食い込む。よって、本実施形態でも、改質金属３０が上下の電磁鋼板４１を掴んで浮き上がりを防止し、更には、突起３２の先端が食い込み時の抵抗によって曲がって釣り針の返しのようになり、アンカー効果を発揮して浮き上がりを防止することが期待される。
【００２９】
次の通電加圧工程では、図５（ｃ）に示すように電極５によって上下に電磁鋼板４１，４２，４１を挟み込み、通電加圧すると、電流が突起３２と電磁鋼板４１との接触部分を通って上下に流れ、その抵抗発熱によって改質金属３０が溶融する。ここでも改質金属３０は、突起３２の食い込みによって接触して接触面積が小さいため、通電時の電流密度が増し、少ない電流で十分な発熱を生じる。その後、通電を終了して凝固することで、図５（ｄ）に示すように、非磁性改質相６１を備えたロータ部材６０が形成される。
【００３０】
よって、本実施形態の製造方法でも、改質前加圧工程で改質金属３０の突起３２を上下の電磁鋼板４１に食い込ませることで浮き上がりを防止し、次の改質工程で確実に通電電流が改質金属３０の上下の面を偏り無く流れ全体が溶融するようにしたので、安定した非磁性改質相６１が形成できる。また、凹凸面３１によって通電加圧時の電流密度が増すため、少ない電流で改質金属３０を発熱させることができ、製造コストを抑えることもできる。そして、改質金属３０は、突起３２を設けた分、横方向寸法を貫通孔４２ａより小さくし、溶融した状態で空間４０内に充填できるように体積を合わせているので、この点でも安定した非磁性改質相６１が形成できる。
【００３１】
以上、本発明に係る非磁性改質相を備える鋼材の製造方法について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、改質金属３０に形成する突起３２をピラミッド形にし、これによって通電時の電流密度をより高いものにして、より低い電流値で改質金属３０を溶融させることが考えられる。
また、改質金属３０は、その突起３２が改質前加圧工程の加圧で食い込むものであれば良く、先端を鋭く尖っていなくともよい。
また、前記実施形態では、２枚の電磁鋼板１を重ねたロータ部材に非磁性改質相１１を形成した場合について説明したが、その他の部材について行う場合にも応用可能である。
【００３２】
また、前記第２実施形態では、電磁鋼板４１を平面にしたが、その電磁鋼板４１にも第１実施形態と同様に凹穴を形成し、その凹穴と電磁鋼板４２の貫通孔４２ａとによって形成した空間に改質金属を入れるようにしてもよい。
更に、前記第２実施形態では、空間４０を貫通孔４２ａを形成した１枚の電磁鋼板４２で構成したが、上下の電磁鋼板４１の間に２枚以上の電磁鋼板４２を重ねるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１    電磁鋼板
２    凹穴
５    電極
１０  ロータ部材
１１  非磁性改質相
２０  空間
３０  改質金属
３１  凹凸面
３２  突起
５０  加圧ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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